JPH0337164A - セラミックス・金属複合材料 - Google Patents

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】 〔概　要〕 本発明は、セラミックス・金属複合材料に関し、セラミ
ックスの耐食・耐熱性を有しかつ加工性・接合性の優れ
たセラミックス・金属複合材料を提供することを目的と
し、 窒化物セラミックスの部材と、チタンもしくはチタン合
金の部材または窒化物セラミックスの部材とがこれら両
部材間に介在する窒化チタンの層によって接合されてい
るように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、セラミックス・金属複合材料に関する。

〔従来の技術〕

セラミックスは金属にくらべて耐食性、耐熱性等が優れ
ているが、加工性、接合性が劣る。金属と組合せて複合
材料とすることによって、セラミックスの欠点を補い、
優れたその特性を広範な分野で利用することができる。

たとえば、近年のコンピュータシステムの高速化に伴い
、素子を効率よく冷却する技術が必要になっている。従
来、発熱量の大きなトランジスタ等の放熱フィンは熱伝
導率の高い、たとえば銅等の金属材料で作られていた。

しかし、金属材料は冷却媒体である水による腐食の発生
する恐れがあるため、種々の防食対策が行なわれている
。一方、セラミックスにも窒化硼素のように放熱フィン
として十分ｔ：熱伝導性を有するものがある。このよう
なセラミックスを用いれば腐食が発生せず、肪食対策を
必要としないため、実用上極めて有利である。しかし、
セラミックスは金属に比べて加工が著しく困難なため、
フィンのように多くの加工を要する用途には実用化され
ていなかった。

また、セラミックスはその耐熱性を利用して種々の高温
反応炉等の構造部材としても用いられている。このよう
な耐熱材料としては、一般にアルミナ、シリカ等の酸化
物セラミックスが用いられている。しかし、酸化物セラ
ミックスは高温の真空中や不活性ガス中では分解するた
め、実用範囲は大気中のような酸化性雰囲気に限られる
。一方、真空中や不活性ガス中では一般にモリブデンや
タングステン等の金属が用いられているが、金属は高温
の酸化性雰囲気で使用できず、耐熱性もセラミックスよ
り低い。したがって、部材の両面がそれぞれ異種の高温
雰囲気に曝される場合には各雰囲気中で安定なセラミッ
クスを接合した複合材料を用いることができれば実用上
極めて有利である。

しかし、セラミックスは接合性が非常に悪いため複合材
料とすることが困難であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、セラミックスの耐食・耐熱性を有しかつ加工
性・接合性の優れたセラミックス・金属複合材料を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、本発明によれば、窒化物セラミックスの
部材と、チタンもしくはチタン合金の部材または窒化物
セラミックスの部材とがこれら両部材間に介在する窒化
チタンの層によって接合されていることを特徴とする複
合材料によって達成される。

窒化物セラミックスとしては、窒化硼素セラミックス、
窒化けい素セラミックス等、焼結体の形で用いられる窒
化物セラミックスが適する。

本発明は、−態様（態様〔ｌ〕）として、窒化硼素セラ
ミックスの部材とチタンまたはチタン合金の部材とがこ
れら両部材間に介在する窒化チタンの層によって接合さ
れている複合材料を含む。

上記態様〔１〕の複合材料は、窒化硼素セラミックスの
部材とチタンまたはチタン合金の材料とを重さね合わせ
て、真空中または不活性ガス中で焼結して上記両部材間
に窒化チタンを形成することによってこれら両部材を接
合することによって製造することができる。

本態様は、十分に密度の高い窒化硼素セラミックスと、
チタンまたはチタン合金との複合材料を提供する。窒化
硼素セラミックスは焼結体を、チタンまたはチタン合金
は焼結体、溶製材もしくは圧粉体（圧縮成形した未焼成
材）を用いる。従来は、接合部にメタライズを施し、ま
たはろう材や、中間層を挿入して、さらに加圧して接合
してきた。

本発明ではこのようなメタライズやろう材等の挿入を必
要こせず加圧も必要とせずに、真空中または不活性ガス
中において焼結させることにより接合させる。本発明に
より、強固な接合強度が得られる理由は次のように考え
られる。すなわち、チタンは非常に活性な金属であり、
酸素、水素、窒素と容易に反応する性質がある。更には
、化合物中の酸素、水素、窒素とも反応する場合もある
。

したがって、窒化硼素中の窒素と反応して窒化チタンと
なり、窒化硼素とチタンが、窒化チタンと強固に結合す
るためであると考えられる。このことにより、熱伝導性
が高く、放熱性、耐熱性、耐食性、耐湿性に優れた窒化
硼素セラミックスと、耐食性、耐湿性に優れ、セラミッ
クスよりは加工性のよいチタンの双方の性質を持つ複合
材料が得られる。

焼結を真空中または不活性ガス中で行なう理由は、雰囲
気中の酸素、水素、窒素等とチタンとの反応を防止して
、チタンまたはチタン合金として維持し、加工性等金属
材料の利点を確保するためである。

本発明は、別の態様（態様〔２〕）として、窒化硼素セ
ラミックスの部材とチタンまたはチタン合金の部材とが
これら両部材間に介在する窒化チタンの層によって接合
されており、かつ上記チタンまたはチタン合金の部材と
窒化けい素セラミックスの部材とがこれら両部材間に介
在する窒化チタンの層によって接合されている複合材料
を含む。

上記態様〔２〕の複合材料は、窒化硼素セラミックスの
第１部材と、チタンまたはチタン合金の第２部材と、窒
化けい素セラミックスの第３部材とを順次重さね合わせ
て、これらセラミックスを分解しない雰囲気中で焼結し
て上記第１部材・第２部材間および上記第２部材・第３
部材間にそれぞれ窒化チタンを形成することによってこ
れら３部材を接合することによって製造することができ
る。

本態様は、異種のセラミックスすなわち窒化硼素セラミ
ックスと窒化けい素セラミックスとを、これらセラミッ
クス間に介在させたチタンまたはチタン合金を介して接
合した複合材料を提供する。

各セラミックスとチタンまたはチタン合金とはそれぞれ
窒化チタンで接合されている。窒化ホウ素セラミックス
と窒化ケイ素セラミックスのみを密着させて熱処理を行
っても接合しないが、本態様〔２〕により、強固な接合
強度が得られる理由は、両者の中間層としてチタンを用
いることにより、両者がお互いにチタンと結合するため
である。チタンが窒化ホウ素、および窒化ケイ素中の窒
素と反応して窒化チタンとなり、窒化ホウ素および窒化
ケイ素とチタンが、窒化チタンと強固に結合するためで
あると考えられる。

本態様によれば、高温環境下において、不活性ガスまた
は真空側では窒化ホウ素セラミックスが耐熱性を発揮し
、大気中などの酸化性雰囲気側では窒化ケイ素セラミッ
クスが耐熱性を発揮して、両面でそれぞれ異種の高温雰
囲気に適合する複合材料が得られる。

本態様では、焼結雰囲気はセラミックスを分解しない雰
囲気であり、窒素ガス雰囲気が最も適している。両セラ
ミックス間に介在するチタンまたはチタン合金は、焼結
中に雰囲気の窒素によって表面が若干窒化されるが、本
態様における両セラミックス間を接合する機能には影響
しない。

窒化けい素は真空中や不活性ガス中では焼結温度で分解
するので、これらの雰囲気は用いない。

態様〔２〕を応用した更に別の態様〔３〕として、チタ
ンまたはチタン合金の部材を薄い箔等とすれば、焼結中
にこの部材全体を窒化し、両セラミックス間を直接窒化
チタンで接合することもできる。これにより、窒化硼素
セラミックスの部材と窒化けい素セラミックスの部材と
がこれら両部材間に介在する窒化チタンの層によって接
合されている複合材料が提供される。

このような複合材料は、窒化硼素セラミックスの部材と
窒化けい素セラミックスの部材との間にチタンもしくは
チタン合金の箔部材を挟んで、これらセラミックスを分
解しない雰囲気中で焼結して上記両セラミックス部材間
に窒化チタンを形成することによってこれらセラミック
ス部材を接合することによって製造することができる。

〔実施例〕

実施例１ 第１図（ａ）に示すように、厚さ１０ｍｍの窒化硼素セ
ラミックスの板材１１上に、φ３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ
のチタン１２をのせ、真空中で、１４５０℃、１時間、
焼成した。焼成後、その断面を観察したところ、第１図
（ｂ）のように、接合部１３に、窒化チタンが生成して
いると思われる反応層が確認された。得られた継手の接
合強さを評価するために、第１図（Ｃ）に示すように、
上記と同じ条件で作製した試験片（φ３０ｍｍＸ２０ｍ
ｍの一対のチタン片１２Ａの間に、φ３０叩Ｘ５ｍｍの
窒化硼素板１１Ａをはさんだもの）を用いて引張試験を
行った。接合強さは２５ＭＰａ以下であり、破断位置は
、はとんど窒化硼素１１Ａ中であった。接合部では破断
せず、強固な接合がなされた。

実施例２ 第２図（ａ）において、窒化硼素セラミックス２１と窒
化ケイ素セラミックス２２の焼結体を用い、中間層に用
いるチタン２３は溶製材、焼結体、圧粉体のいずれかを
用い、それらを同図のように重ね合わせ、常圧下または
与圧（加圧〉下の窒素中で、１４５０℃、１時間焼成し
て複合材料を得た。

焼成後、その断面を観察したところ、第２図（ｂ）のよ
うに、接合部２４に、窒化チタンが生成していると思わ
れる反応層が確認された。得られた継手の接合強さを評
価するために、第２図（Ｃ）に示すように、上記と同じ
条件で作製した試験片（φ３０　ｍｍ　Ｘ　２０　ｍｍ
の一対のチタン片２５の間に、φ３０ｍｍＸ１５＋ｎｍ
の上記複合材料２をはさんだもの〉を用いて引張試験を
行った。接合強さは２５ＭＰａ以下であり、破断位置は
、はとんど窒化硼素２１Ａ中であった。接合部では破断
せず、強固な接合がなされた。

実施例３ 第３図（ａ）において、窒化硼素（ＢＮ）セラミックス
３１と窒化珪素（ＳｉＮ）セラミックス３２の焼結体を
用い、中間層に用いるチタンまたはチタン合金３３は薄
い箔とし、それらを同図のように重ね合わせ、常圧下、
与圧（加圧）下のいずれかの窒素中で、１４５０℃、１
時間焼成して複合材料を得た。焼成機、その断面を観察
したところ、第３図（ｂ）のように、接合部３４におい
て、挿入した箔がすべて窒化し、両セラミックスが窒化
チタンを介して接合していることが確認された。第３図
（Ｃ）に示すように、上記と同じ条件で作製した試験片
（φ３０ｍｍＸ２０ｍｍの両セラミックス片３１Ａ。

３２Ａの間に０．２ｍＩＩＩ厚のチタン箔を挿入して焼
結したもの）を用いて引張試験を行った。接合強度は２
５ＭＰａ以下であり、破断位置は、はとんど窒化硼素３
１Ａ中であった。接合部では破断せず、強固な接合がな
された。

上記各実施例では、異種の窒化物セラミックスを接合す
る場合を説明したが、本発明は同種の窒化物セラミック
スを接合して一体の構造物とする場合にももちろん適用
できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、セラミックスの
耐食・耐熱性を有しかつ加工性・接合性の優れたセラミ
ックス・金属複合材料が提供される。

特に、従来まで、高温高圧発生装置を必要とした、窒化
硼素の複合材料を、極めて手軽に実現することができる
。また、材料の特性を活かして、発熱量の大きなトラン
ジスタなどの放熱フィンのようなコンピュータの冷却技
術に関する分野における実用化が期待される。

また、異なる条件下で使用できる耐熱材料として有望な
窒化ホウ素セラミックスと窒化ケイ素セラミックスの複
合材料を、極めて手軽に実現することができる。

更に、材料の特性を活かして、耐熱材料のみならず、軽
量高強度を要求する分野にも応用が期待出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ（ａ）本発明の一態
様〔１〕にしたがったセラミックス・金属複合材料を製
造するために窒化硼素セラミックスとチタンとを重ね合
わせた状態を示す斜視図、（ｂ）上記（ａ）の状態で焼
結して得られた複合材料の断面図、および（Ｃ）引張試
験片の正面図、第２１！ｌ　（ａ）　〜（Ｃ）は、それ
ぞれ（ａ）本発明の別の態様〔２〕にしたがったセラミ
ックス・金属複合材料を製造するために窒化硼素セラミ
ックスとチタンと窒化けい素とを重ね合わせた状態を示
す断面図、（ｂ）上記（ａ）の状態で焼結して得られた
複合材料の断面図、および（Ｃ）引張試験片の正面図、
および 第３図（ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ（ａ′）本発明の更
に別の態様〔３〕にしたがったセラミックス・金属複合
材料を製造するために窒化硼素セラミックスとチタンの
薄い箔と窒化けい素とを重ね合わせた状態を示す断面図
、（ｂ）上記（ａ）の状態で焼結して得られた複合材料
の断面図、および（Ｃ）の引張試験の正面図である。 １１・ＩＩＡ、　２１．２１Ａ、　３１．３１Ａ・・・
窒化硼素セラミックス、 １２．１２Ａ、　２３，２３Ａ　、　３３−・−チタ”
Ｊ、２２．２２Ａ、３２．３２Ａ・・・窒化けい素、１
３、２４．３３Ａ　、　３４・・・接合部。 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第 図 （ａ） （ｂ） （ｃ） 第 図 □ （ａ） □ １Ａ ３Ａ ２Ａ （ｃ） 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、窒化物セラミックスの部材と、チタンもしくはチタ
   ン合金の部材または窒化物セラミックスの部材とがこれ
   ら両部材間に介在する窒化チタンの層によって接合され
   ていることを特徴とする複合材料。