JPS62275075A - 非酸化物セラミツクスの接着方法 - 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】 発明の詳細な説明 産業上の利用分野 本発明は、非酸化物セラミックスの接着方法に関する。

従来技術とその問題点 窒化ケイ素や炭化ケイ素などの非酸化物セラミックスは
、金属に比べて高温強度、耐食性、耐摩耗性等に優れて
いるので、高温用部材として脚光を浴びており、ガスタ
ービン、自動車エンジン、熱交換器等への応用開発が進
められている。

上記の如き各種用途において、非酸化物セラミックスに
その優れた機能を十分に発揮させるためには、製造工程
で、これ等非酸化物セラミックス相互を接着させること
が必要となってくる。特に非酸化物セラミックス成形体
は、複雑な形状に成形及び加工することが困難なので、
単純な形状の部材から複雑な形状に組み立てる必要が必
り、非酸化物セラミックス部材相互の接着技術の開発が
不可欠である。

しかしながら、非酸化物セラミックスは、一般に溶融物
に対する親和性、いわゆる濡れ性が極めて悪く、しかも
アルミナ、マグネシア等の酸化物系セラミックスとは異
なり、共有結合性が強く、また各種物質に対する反応性
も非常に低いために、その接着は極めて困難でおる。

従来、非酸化物セラミックスの接着には、接着剤を被接
着部材間に介在させるか、あるいは何も介在させること
なく、高温高圧下でホットプレスする方法がとられてい
た。しかしながら、ホットプレス法では、高温及び高圧
を必要とするので、複雑なあるいは大型の部材の接着は
極めて困難である。また、最近脚光を浴びている熱間等
方加圧法いわゆるＨＩＰ法にも、同様な問題点が存在す
る。

したがって、大型で複雑な形状の部材を組立てるには、
圧力を要せず、加熱するだけで容易に接着できる接着剤
の開発が望まれている。従来、非酸化物セラミックス用
接着剤としては、Ｉ［Ｉ−Ａ族酸化物単独、アルミナ−
シリカ−アルカリ土類金属酸化物系、フッ化カルシウム
−カオリン系、あるいはこれに希土類酸化物を少量添加
したもの等が使用されている。しかしながら、これらは
、各れも酸化物系ガラスによる接着剤であり、非酸化物
セラミックスとの熱膨張係数の違いなどにより、一般に
接着強度が低く、非酸化物セラミックス成形体の優れた
特性を十分に生かすにはいたっていない。

本発明者等は、この様な現状に鑑みて、種々研究を重ね
た結果、窒化ケイ素、酸化マグネシウム及び２種以上の
希土類酸化物を有効成分とする非酸化物セラミックス用
接着剤を完成した（特開昭６０−２２６４６３号）。ざ
らに、この接着剤にバインダー成分を加えてシート状に
成形することにより、接合すべき部材の形状の如何にか
かわらず、任意の接着部位に所望の厚さの接着剤を均−
且つ容易に塗着することができ、その結果接着特性のば
らつきも抑制されることを見出した。（特願昭６０−１
４７２３４号〉。

しかしながら、この方法では、接合部材相互間に接着剤
シートを単に介在させているだけで必るため、接合部材
間のずれが生じ易い。特に平面同士を接着する場合には
、ずれの生じる可能性が非常に大きい。

問題点を解決するための手段 本発明者は、特願昭６０−１４７２３４号に示された非
酸化物セラミックス用接着剤シートを用いた接着方法の
優れた特性を更に一層改善すべく引続き研究を重ねた結
果、接着剤シートの片面或いは両面に粘着剤を均一に塗
布し、該接着剤シートで接合すべき両接合部材を仮着し
た後に加熱処理することにより、接合部材間のずれを防
止でき、しかも接着特性は特願昭６０−１４７２３４号
に示された方法と何ら変わらないことを見出した。

即ち、本発明は、窒化ケイ素と、酸化マグネシウム及び
／又は酸化カルシウムと、２種以上の希土類酸化物とを
有効成分とする接着剤成分とバインダーとを均一に混合
、成形してなる非酸化物セラミックス用接着剤シートの
片面或いは両面に粘着剤を均一に塗布し、該シートを非
酸化物セラミックス相互間に介在させ、非酸化性雰囲気
下１４００〜１８００℃の温度で加熱することを特徴と
する非酸化物セラミックスの接着方法を提供する。

本発明で使用される接着剤が適用される非酸化゛物セラ
ミックスは、材質的には、例えば、窒化ケイ素、炭化ケ
イ素、サイアロン、窒化アルミニウム等であり、ホット
プレス、常圧焼結、あるいは反応焼結等のいずれの方法
で得られたものであってもよく、特にその形状や大きざ
に限定はなく、しかも接着すべき部材は同一形状でも異
形状でもよい。

本発明接着剤において有効成分でおる窒化ケイ素として
は、市販のものをいずれも使用でき、特にその製法、粒
度、純度等は限定されない。また、粉末状態のものだけ
でなく、ウィスカー状態のものも用いることができる。

接着強度を高めるためには、純度の高いものの方が望ま
しい。

また、酸化マグネシウム及び酸化カルシウムとしては、
通常市販されているものをいずれも使用でき、その純度
及び粒度は、特に限定されないが、接着強度を高めるた
めには、できるだけ高純度で粒度の小さいものが望まし
い。

また、本発明接着剤のもう一つの有効成分である希土類
酸化物としては、２種以上の希土類酸化物を用いること
が必要である。希土類酸化物を１種だけ用いる場合には
、非酸化物セラミックスに対する十分な濡れ性が得られ
ないために、満足のいく接着強度を得ることができない
。希土類酸化物の組み合せとしては、特に限定されない
が、酸化イツトリウムと酸化ランタンの組み合せが最適
である。使用する希土類酸化物の純度及び粒度は特に限
定されないが、接着強度を高めるには、できるだけ高純
度で、粒度の小さいものが望ましい。

本発明の接着剤の有効成分のうち、窒化ケイ素と希土類
酸化物との配合割合は、窒化ケイ素と希土類酸化物の合
計を１ＱＱｍｏ１％とした場合に、窒化ケイ素を３５〜
５５ｍ０１％とし、希土類酸化物のうちの１種を酸化イ
ツトリウムとして、これの含有量を１０〜３５ｍｏ１％
とし、残部を少なくとも１種の他の希土類酸化物とする
ことが好ましい。特に、窒化ケイ素を４０〜５５ｍ０Ｉ
％、酸化イツトリウムを１５〜３Ｑｍｏ１％、残部を伯
の希土類酸化物の少な（とも１種とした場合に、非常に
強い接着強度が得られる。

また、酸化マグネシウム及び酸化カルシウムの添加量は
、上記の窒化ケイ素と希土類酸化物の混合物に対して単
独或いは併用系で外掛けで１０〜８Ｑｗｔ％添加するの
が最適でめる。１０ｗｔ％未満及び３Ｑｗｔ％を超える
場合には該接着剤の非酸化物セラミックスに対する濡れ
が十分でなく、満足すべき接着作用は得られない。

本発明において有効な組成範囲を上記範囲とした理由は
、この範囲内でおれば接着剤の有効成分が溶融して、良
好な濡れが得られるとともに、窒化ケイ素を適量含むの
で、該接着剤の熱膨張係数が被接着体の非酸化物セラミ
ックス成形体の熱膨張係数に近くなり、接着後の接着剤
層内の残留ひずみがほとんどないためである。

本発明において、窒化ケイ素と、酸化マグネシウム及び
／又は酸化カルシウムと、２種以上の希土類酸化物とを
有効成分とする接着剤成分をシート状に成形するために
使用するバインダーとしては、接着操作温度にいたる昇
温過程でのガス発生量が少なく、且つ分解後に接着を阻
害する残渣を生じないエラストマーが好適でおる。この
様なエラストマーとしては、エチレン−プロピレン共重
合体、エチレン−プロピレン−ジェンターポリマー、ポ
リイソブチレン、ポリイソプレン、スチレン−ブタジェ
ン共重合体などの合成ゴム類、天然ゴム類或いはエチレ
ン−酢酸ビニル共重合体などの合成樹脂等が例示され、
これ等の１種又は２種以上を使用する。バインダーの分
子量は特に限定されないが、良好なシート成形性を保持
する為には、平均分子量５万〜１００万程度とすること
が好ましい。これ等のエラストマーには、必要に応じ、
接着性改善の目的でアルキルフェノール系、クマロン−
インデン系、ポリテルペン系、ロジン系、石油系、ポリ
ビニルエーテル系等の樹脂の１種又は２種以上を併用し
ても良く、更に軟化剤としてキシレン系樹脂、パラフィ
ンワックス、プロセスオイル、アビエチルアルコール等
を配合しても良い。

尚、上記エラストマー或いはエラストマーと他の併用成
分からなるバインダーは、複雑な形状の部材の接着時に
接着剤シートが折り曲げ或いは湾曲によりクラックを生
じない様に、２５°Ｃで０、１〜５０ｋＣＩ／ｍｍ２程
度、ヨｌ’）好マシくハ０．５〜４０　ｋ（］／　ｍｍ
２程度の弾性率を有するものを選択することが望ましい
。ここに、弾性率とは、温度２５°Ｃにおいて試料をチ
ャック間距離５Ｑｍｍで３００ｍｍ／ｍｉｎの速度で引
き伸ばした場合の下式で示される接線モジュラスを意味
するものとする。

弾性率＝Ｆ／Ｓ 但し、Ｆ：試料を１００％伸ばした点と接線との交点の
力（ｋＭｍｍ２） Ｓ：試料の断面積（ｍｍ２） 接着剤成分に対するバインダーの配合割合は、加熱接着
時のガス発生や分解残渣による接着特性への影響を出来
るだけ少なくしつつも同時に良好なシート成形性及び柔
軟な接着剤シート（弾性率０．３〜４５ｋＭｍｍ２、曲
率半径１０ｍ＋ｎ以下）　ヲ得るために、前者１００重
量部に対し後者３〜５０重量部程度、より好ましくは５
〜２５重量部程度とすることが望ましい。更に、バイン
ダーの配合割合は、接着剤成分の粒径（ウィスカーを使
用する場合には、その径及び長さ）をも考慮して定める
ことが好ましい。一般に、接着剤成分の粒径が大きくな
れば、バインダーの配合量を減少することが可能となる
が、その反面接着剤の濡れ性が低下する。従って、接着
特性及び成形性に優れた接着剤シートを得る為には、接
着剤成分の平均粒径１−１−１０μｍ程度のとき、接着
剤成分１００重量部に対するバインダー配合量を１０〜
２００〜２０重量部程のが最適である。

本発明に使用する接着剤シートは、種々の方法により製
造可能でおる。例えば、バインダーをアセトン、トルエ
ン、メチルエチルケトン等の有機溶剤に溶解した後、接
着剤成分を加え、均一に混練する。次いで、混線物を離
型紙を被せた型枠上に流し込み、溶剤を蒸発させた後、
成形物を圧延ロールに通してシート状又はフィルム状、
或いはその他の形状に成形する。成形は、押し出し、プ
レス圧延、ドクターブレード法等の他の任意の方法によ
っても行ない得ることは、言うまでもない。

本発明の接着剤シートを使用して非酸化物セラミックス
の接着を行なうには、接着剤シートを所定形状に切断若
しくは加工し、次いで接着剤シートの片面或いは両面に
粘着剤を均一に塗布し、該シートを非酸化物セラミック
ス部材の被接着面間に介在させた状態で、部材の加熱を
行なえばよい。

接着剤シートの厚さは、接着剤成分の組成、加熱条件、
部材の形状等に応じて適宜決定されるが、通常接着剤成
分の付与量が、接着面積１　ｃｍ２当り０．０１〜１０
程度、より好ましくは０．０５〜０．３Ｃ１程度となる
様にすれば良い。

本発明の接着方法において、その片面或いは両面に粘着
剤を均一に塗布した接着剤シー１〜を非酸化物セラミッ
クス成形体部材間に介在させて加熱処理する温度は、１
４００〜１８００℃の範囲とする。加熱温度が、１４０
０℃未満では、接着剤成分が溶融しないため接着作用が
発揮されず、一方、１８００℃を超える場合には、被接
着体である非酸化物セラミックス成形体部材の変形成い
は変質が生じたり、また接着剤有効成分の蒸発も進み、
更に、熱効率の面からも好ましくない。

接着剤シート面に塗布する粘着剤としては、シート作成
の際のバインダー同様、接着操作温度にいたる昇温過程
でのガス発生量が少なく、且つ分解後に接着を阻害する
残渣を生じないエラストマーが好適である。この様なエ
ラストマーとしては、エチレン−プロピレン共重合体、
エチレン−プロピレン−ジェンターポリマー、ポリイソ
ブチレン、ポリイソプレン、スチレン−ブタジェン共重
合体などの合成ゴム類、天然ゴム類或いはエチレン酢酸
共重合体などの合成樹脂等が例示され、これ等の１種又
は２種以上を使用する。粘着剤の分子量は特に限定され
ないが、良好な接着特性を保持する為には、平均分子量
５万〜１００万程度とすることが好ましい。粘着剤塗布
厚さは、特に限定ざれないが、５〜５０μ程度とするの
がよい。５０μを越えると接着時のボイドの発生、発泡
等の原因となり、一方５μ未満では接着力が低下する。

熱処理雰囲気としては、真空、不活性ガス、窒素ガス等
の非酸化性雰囲気が使用され、なかでも真空中あるいは
窒素雰囲気下で加熱処理することが望ましい。

作　　　　用 本発明の接着剤シートを用いることにより、卓越した接
着効果が発揮される理由は、瑛在なお明確ではないが、
以下の如く推定される。

即ち、本発明の接着剤シートの接着剤成分は、およそ１
４００〜１８００℃の融点を有するので、接着剤シート
を介在させた非酸化物セラミックス成形体部材を１４０
０°０以上に加熱すると、接着剤成分が溶融して非酸化
物セラミックス成形体部材表面を十分に濡らすことがで
き、また非酸化物セラミックス成形体部との間で何らか
の反応が起こり、非酸化物セラミックス成形体部材相互
を強固に接着するものと考えられる。接着剤有効成分が
、酸化マグネシウム又は酸化カルシウムと２種以上の希
土類酸化物との組み合せの場合には、同様な機構により
、一応接着は可能では必るが、充分な強度は得られない
。このことから、接着剤有効成分として窒化ケイ素を含
むことにより、接着剤の熱膨張係数が非酸化物セラミッ
クス成形体部材の熱膨張係数に近くなり、その結果、接
着１変の接着層内の残留ひずみが小ざく、高い接着強度
が得られるものと考えられる。

発明の効果 本発明によれば、従来方法では接着困難でおった大型、
複雑、異形の非酸化物セラミックス部材相互を容易に、
しかも強力に接着できる。また、接着後形成される接着
層が化学的に安定でおり、９００′Ｃ程度まで充分な耐
熱性を有する。更に、本発明の接着剤シートは、０．０
５〜５ｕ程度まで均一な厚さで圧延可能なので、加熱処
理に形成される接着厚さも一定となり、接着特性のばら
つきも少ない。更にまた、本発明の接着剤シートは、切
断及び変形が可能なので、複雑な形状の部材の接合も可
能となる。しかも接着剤シート面に粘着剤を塗布するこ
とによって、被接着体間でのずれ、隙間等の発生が防止
され、作業性及びその作業の信頼性が大巾に向上する。

従って、非酸化物セラミックスは、その優れた機能を更
に一層発揮できる。

実　　　施　　　例 以下、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明する。

実施例１ 窒化ケイ素ウィスカー（径０．５〜２μｍ、長さ５０〜
３００μｍ＞４５ｍｏ１％、酸化イツトリウム２７．５
ｍｏ１％及び酸化ランタン２７．５ｎｏｔ％からなる混
合粉末１００重量部に酸化マグネシウム３５重量部を添
力０混合し、接着剤成分とした。次いで該接着剤成分１
００重量部に対し、バインダーとしてブチルゴム（分子
量約２５万）２５重量部及び溶剤としてトルエン３０重
量部を加えて混合した後、約５０℃に加熱したロールに
てトルエンを気化させながら充分に混練し、常温でロー
ル圧延し、厚さ１００μｍの本発明の接着剤シートを得
た。

この接着剤シートを１０×１０ｍｍ２に切断し、４０％
ブチルゴムトルエン溶液２ｍｇをシートの両面に均一に
塗布した。このシートを１０Ｘ１０Ｘコ５１ＴＩＩＴ１
３の２個の窒化ケイ素成形体間にはさみ込み、トルエン
を乾燥した後窒素雰囲気中、１６００℃で１時間加熱処
理した。

得られた接着体は、シート面に粘着剤を塗布せずに加熱
した場合に生じていた接着体間のずれがなかった。

得られた接着体試料から３Ｘ３Ｘ３０ｍｍ３の角棒を切
り出し、スパン２Ｑｍｍ、荷重速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ
の条件下に三点曲げ試験を行なった結果、３２．５ｋＭ
ｍｍ２の強度力ｑ＊　ラｎ　ｔ；−０実施例２ 窒化ケイ素粉末（平均粒径１５μｍ）４５ｍｏ１％、酸
化イツトリウム２７．５ｍｏ１％及び酸化ランタン２７
．５ｍｏ１％からなる混合粉末１００重量部に酸化マグ
ネシウム３５重量部を添加混合し、総平均粒径的５μｍ
の接着剤成分とした。

該接着剤成分１００重量部にバインダーとしてアクリル
ゴム２０重量部及び溶剤としてトルエン３０重量部を加
え、実施例１と同様の方法により、接着剤シートを得た
。

この接着剤シートを所定の大きざに切断し、３０％アク
リルゴムトルエン溶液をシートの両面に均一に塗布した
。このシートを窒化ケイ素成形体間にはさみ込み、窒素
雰囲気中、１６５０℃で１時間加熱処理した。

得られた接着体にはずれがなく、その三点曲げ強度は３
５．４ｋＭｍｍ２であった。

実施例３ 窒化ケイ素（平均粒径１５μｍ＞５５ｍｏ１％、酸化イ
ツトリウム２２．５ｍｏ１％及び酸化ランタン２２．５
ｍｏ１％からなる混合粉末１００重量部に酸化カルシウ
ム６０重量部を添加混合し、総平均粒径的５μｍの接着
剤成分とした。

該接着剤成分１００重量部にバインダーとしてブルチゴ
ム２０重量部及び溶剤としてトルエン３０重量部を加え
、実施例１と同様の方法により、接着剤シートを得た。

該接着剤シートを所定の大きざに切断し、４０％ブチル
ゴムトルエン溶液をシートの両面に均一に塗布した。こ
のシートを窒化ケイ素成形体間にはさみ込み、窒素雰囲
気中、１６００℃で１時間加熱処理した。得られた接着
体の３点曲げ強度は３０．５に’ｊ／ｒｒｍ２であった
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化ケイ素と、酸化マグネシウム及び／又は酸化
   カルシウムと、２種以上の希土類酸化物とを有効成分と
   する接着剤成分とバインダーとを均一に混合、成形して
   なる非酸化物セラミックス用接着剤シートの片面或いは
   両面に粘着剤を均一に塗布し、該シートを非酸化物セラ
   ミックス相互間に介在させ、非酸化性雰囲気下 １４００〜１８００℃の温度で加熱することを特徴とす
   る非酸化物セラミックスの接着方法。