JP2003176183A - 無機質接合部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゲルキャスティングの特徴を利用して、組成
や微構造が異なる焼結体を良好な接合状態で接合し、信
頼性の高い無機質接合部材を提供する。 【解決手段】 ゲルキャスティングスラリを凹凸を有す
る型枠に注型し、固化後に脱型して凹凸を固化体表面に
形成し、その固化体表面に前記と異なる組成および/ま
たは異なる微構造のゲルキャスティングスラリを注型
し、固化後に脱型して、該固化体を焼結することにより
強固に一体化した無機質接合部材を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ゲルキャスティン
グ法を利用した無機質接合部材およびその製造方法に関
するものであり、さらに詳しくは、異なる組成および/
または異なる微構造を有する焼結体同士が凹凸を有する
界面で接合してなる無機質接合部材およびその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関わる無機質接合部材の構成材
料は、アルミナ、マグネシア、炭化ケイ素などのセラミ
ックスや、各種金属、あるいは、これらの組み合わせか
ら構成されるものであり、実質的に空孔を含まない緻密
体から相互に連結した空孔を有する多孔体までが含まれ
る。

【０００３】次に、異なる組成および/または異なる微
構造の有する焼結体同士を接合する方法としては、従来
から接合や溶射を利用する方法が知られている。一例と
して、接合においては、タービンシャフトに見られるよ
うな金属とセラミックスの界面をメタライズと嵌合技術
を組み合わせた方法が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来法による
異種材料の接合においては、界面における作製時の剥離
や使用中の破壊が生じ易い。その原因としては、目的と
する母材同士の熱膨張率の違いの他に、以下のようなも
のが例示される。ひとつには界面の組成についていえ
ば、“糊”としての接合材が母材よりも融点が低く、同
時に機械的強度が低いために、界面から破壊が生じる。
また、界面の形状から言えば、界面に凹凸がない平滑な
形状では、接合材や相手母材の“食い込み”による投錨
効果が寄与しないことが破壊の原因となる。勿論、母材
同士や、母材と接合材との濡れ性なども、界面における
欠陥の生成を左右する。理想的には、接合界面には目的
とする母材成分以外のものが含まれないこと、および、
接合面において、上記のような機械的特性などが損なわ
れないことが好ましく、更には、接合面の形状が制約を
受けないことが望ましい。しかし、例えば金属を介して
セラミックス同士を接合させた場合には、セラミックス
の特徴である高温強度や高剛性を損なう可能性がある。
また、金属同士をレーザーによって接合する場合には、
得られる界面は平面に限定される。この他、爆裂衝撃を
利用した接合方法では、適用可能な寸法や形状への制約
が大きい。

【０００５】次に、溶射で複合材料を得る場合には、溶
射のターゲットとなる母材の硬度が比較的低いものでな
いと、溶射材料が衝突した瞬間の衝撃を吸収しにくく、
界面の接着強度が低く剥離が発生しやすくなることか
ら、特に緻密質セラミックスを母材として利用しにく
い。更に、被溶射成分が母材表面に達した際の温度変化
が大きいために、溶射では層厚を大きくすると残留歪に
依る剥離などの欠陥を生じ易いという問題があった。

【０００６】上記諸問題を解決するためには、界面にお
いて異種成分を介することなく、目的成分同士が密着
し、且つ、その界面形状が任意のものである接合方法が
望まれる。本発明は上記問題を鑑みたものであり、ゲル
キャスティングスラリ法を利用し、異なる組成および/
または異なる微構造を有する焼結体同士が凹凸を有する
界面で接合してなり、かつ強固に一体化した無機質接合
部材を信頼性良く得られる技術を提供することを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した本発明の目的
は、異なる組成および/または異なる微構造を有する焼
結体同士が凹凸を有する界面で接合してなる無機質接合
部材であって、該焼結体がゲルキャスティング法により
得られる固化体を焼結したものであることを特徴とする
無機質接合部材によって達成される。また本発明の目的
は、ゲルキャスティングスラリを凹凸面を有する型枠に
注型し、固化後に脱型して該凹凸を固化体表面に形成す
る工程と、該凹凸を形成した固化体表面に前記と異なる
組成および/または異なる微構造のゲルキャスティング
スラリを注型し、固化後に脱型して異なる組成および/
または異なる微構造を有する固化体同士が凹凸を有する
界面で接合してなる固化体を得る工程と、該固化体を焼
結する工程を含むことを特徴とする無機質接合部材の製
造方法によっても達成される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明について具体的に説
明する。本発明に関わるゲルキャスティング法に用いる
スラリは、無機質骨格材としてのセラミックス粉末また
は金属粉末に、水や有機溶媒などの分散媒および所定の
ゲル化剤などを混合することにより得られる。ここで、
本発明においてゲルキャスティング法を使用するのは、
型枠内にスラリを流し込んだ後、そのままの状態で固化
させ固化体を得ることが出来ることによる。このことに
より、型枠に所望の形状を形成すれば、その形状を保持
した固化体を容易に得ることが可能となる。さらに、ゲ
ルキャスティングで得られた固化体は、乾燥させること
なく、その表面に別のゲルキャスティングスラリを用い
て一体の成形体とすることが可能である。このことは乾
燥収縮に伴って発生する界面応力を軽減する効果があ
る。

【０００９】ゲル化剤としては、例えば水溶性エポキシ
系樹脂などを用いることが出来るが、スラリおよび成形
体の取扱い性を考慮すると反応架橋により高分子を構成
する成分を用いることが望ましい。これは、寒天やポリ
ビニルアルコールなどの初めから高分子を構成する成分
を用いるとスラリの粘度が高くなり、十分な取扱い性を
確保するために分散媒を増やす必要があり、その結果、
固形分が低く、脱脂および焼成時に亀裂などが発生しや
すくなる問題があるためである。また、反応によって固
化する成分を用いることで、界面の接着強度を高めるこ
とが可能であり、特に、同一カテゴリに属するゲル化剤
成分を用いることで、その効果が高められる。

【００１０】そこで、スラリ中では単量体ないしは低重
合体として添加し、これを型枠内で熱などの刺激によっ
て架橋重合させて高分子とすることが望ましく、上記の
エポキシ系樹脂の他、アクリル樹脂、ユリア-アミド樹
脂、フェノール樹脂などのカテゴリに含まれる化合物が
挙げられるが、これらには耐熱性が優れ、分解および焼
失温度が比較的高温であるものが多い。

【００１１】また、焼失により気孔を形成する気孔形成
材をスラリに添加したり、気孔形成材中にスラリを含浸
させることにより、多孔質体とすることが可能である。
このような気孔形成材としては、ポリエチレン製やポリ
スチレン製などの合成樹脂ビーズ、澱粉、カーボンなど
の粒子状や繊維状の有機物が挙げられる。また、バイン
ダ成分を成形に必要な量よりも多量に添加し、これの消
失痕を利用することによっても微細な気孔を形成するこ
とが出来る。勿論、このような気孔形成材を用いずに、
繊維状の高分子気孔形成材が存在しない部分に独立気孔
のみを存在させても良いし、緻密質にしても良い。

【００１２】ゲルキャスティングを行なうための型枠
は、ゲルキャスティングスラリ中の分散媒を吸収しない
材質を用いる。但し、ゲルキャスティングスラリは、例
えば、放置または所定温度に加熱することにより完全に
固化するので、型枠には吸収性は不要である。型枠の素
材には、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、テフロ
ン（登録商標）樹脂などの合成樹脂、蝋などの天然油
脂、無機ガラス、金属のほか、スラリ分散媒を吸収しな
いように処理した石膏や合成木材を使用することが出来
るが、耐久性やメンテナンス性、特に表面凹凸加工にお
ける、それらの性質を考慮して選択することが好まし
い。

【００１３】本発明においてはゲルキャスティングスラ
リを凹凸面を有する型枠に注型することを提案している
が、型枠に付与する凹凸の形状および寸法については任
意であり、用途によって適宜選択される。また、その付
与方法についても種々の手法を適用可能であり、例え
ば、無機ガラスに対してはフッ化水素酸による化学的加
工やサンドブラストによる物理的加工が可能である、合
成樹脂や天然油脂ではそれらの成形型枠である金型への
物理的加工や化学的加工、あるいは、成形後の物理的加
工などが可能である。化学的加工による凹凸の深さは典
型的には数から数十ミクロンと比較的微細であり、均一
に形成されるのに対して、物理的加工による凹凸は数百
ミクロンから数ｍｍと比較的粗大となる傾向がある。凹
凸の深さが大きく、且つ、その形状が複雑になるほど母
材同士の投錨効果が高まるが、同時に成形時に型枠と成
形体との間での投錨効果も生じることから、“蛸壺”に
喩えられるような、開口部の径よりも大きな径の空間を
母材中に有する界面は型枠からの転写では形成できな
い。また、凹凸の深さが大きくとも、最近接の凸部同士
あるいは凹部同士の距離である、凹凸のピッチが大きく
なると共に投錨効果の寄与が小さくなることから、凹凸
のピッチの平均値が凹凸の深さの平均値を上回らないよ
うにすることが望ましいが、母材間において、それらの
特性を損なわないような反応が進行して組成や微構造が
傾斜化する場合には、界面における接合強度が向上した
り、残留応力が軽減されることから、凹凸の形状や寸法
の自由度は大きくなる。

【００１４】以下に実施例と比較例により詳細に説明す
るが、本発明は実施例に限定されるものではない。 （実施例１）イットリア安定化ジルコニア粉末100重量
部、ゲル化剤(水溶性アクリル系樹脂)4重量部、イオン
交換水160重量部をボールミルにて混合してゲルキャス
ティングスラリ(Ａ)とした。次に、アルミナ粉末100重
量部、ゲル化剤(水溶性アクリル系樹脂)7重量部イオン
交換水250重量部をボールミルにて混合してゲルキャス
ティングスラリ(Ｂ)とした。100×100ｍｍガラス板に対
して、スラリ接触面をフッ化水素酸で処理して70×70ｍ
ｍの面範囲に凹凸面を付与した。接触式表面粗さ計で測
定したところ、凹凸面の平均深さは約50ミクロン、平均
ピッチは40ミクロンであった。このガラス板と、上記の
ような処理を行わない、平滑表面である同一寸法のガラ
ス板を向かい合わせて、それらを厚み10ｍｍ、幅15ｍｍ
のシリコーン樹脂を介してクランプで固定して形成され
る空間を型枠とした。この型枠内に、上記ゲルキャステ
ングスラリ(Ａ)を注型し、流動パラフィンを注いで封口
した。これを恒温槽中で60℃に加熱して、70×70×10ｍ
ｍの固化体を得た。凹凸面を付与したガラス板を取り外
して、固化体の周囲に、外寸100×100×60ｍｍで内部に
70×70×60ｍｍの切抜きを持つシリコーン樹脂を前記固
化体の周囲に組み込んで設置した。次に、シリコーン樹
脂と凹凸面を転写した固化体表面で形成される型枠にゲ
ルキャスティングスラリ(Ｂ)を流し込み、更に流動パラ
フィンを流し込んで蓋とすることで加熱固化時の分散媒
の蒸発を防ぐようにした。次に、60℃に加熱してゲルキ
ャスティングスラリ(Ｂ)を固化させて脱型した。得られ
た接合固化体を零下25℃で凍結させた後、1Torr以下を
保つように真空脱気することで乾燥体を得て、これを空
気中、450℃で脱脂後、1500℃で焼成した。このように
して、一方がイットリア安定化ジルコニア焼結体で、も
う一方がアルミナ焼結体から成り、互いが凹凸界面によ
り接合した無機質接合部材を得た。この無機質接合部材
を軸方向に垂直に界面が含まれるように曲げ試験片5本
を切り出し、室温にて三点曲げ試験を行ったところ、曲
げ強度は平均430Mpaと大きかった。

【００１５】（実施例２）アルミナ粉末100重量部、ゲ
ル化剤(水溶性アクリル系樹脂)14重量部、アクリル樹脂
ビーズ10重量部、イオン交換水270重量部をボールミル
にて混合してゲルキャスティングスラリ(Ａ)とした。次
に、アルミナ粉末100重量部、ゲル化剤(水溶性アクリル
系樹脂)7重量部、イオン交換水250重量部をボールミル
にて混合してゲルキャスティングスラリ(Ｂ)とした。実
施例1と同様にして得た接合固化体を凍結乾燥後、空気
中、450℃で脱脂後、1500℃で焼成することで、一方が
緻密体、もう一方が多孔質体から成り、互いが凹凸界面
により接合した無機質接合部材を得た。得られた接合部
材の界面には、剥離等の欠陥は認められず、強固に一体
化した接合体を得ることができた。

【００１６】(比較例1)平滑なガラス板を型枠とした以
外は、実施例1と同様にしてイットリア安定化ジルコニ
ア／アルミナ接合部材を作製した。その界面を軸に垂直
に含むようにして曲げ試験片5本を切り出し、室温にて
三点曲げ試験を行ったところ、平均105MPaと低くなっ
た。

【００１７】(比較例2)平滑なガラス板を型枠とした以
外は、実施例2と同様にして無機質接合部材を作製し
た。得られた接合部材の界面には、剥離が発生し、一体
化した接合体は得られなかった。

【００１８】

【発明の効果】以上の結果から、本発明による製造方法
によれば、ゲルキャスティングの特徴を利用して、組成
や微構造が異なる焼結体を良好な接合状態で接合するこ
とが可能であり、信頼性の高い無機質接合部材を提供で
きるという効果がある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異なる組成および/または異なる微構造
   を有する焼結体同士が凹凸を有する界面で接合してなる
   無機質接合部材であって、該焼結体がゲルキャスティン
   グ法により得られる固化体を焼結したものであることを
   特徴とする無機質接合部材。
2. 【請求項２】 ゲルキャスティングスラリを凹凸面を有
   する型枠に注型し、固化後に脱型して該凹凸を固化体表
   面に形成する工程と、該凹凸を形成した固化体表面に前
   記と異なる組成および/または異なる微構造のゲルキャ
   スティングスラリを注型し、固化後に脱型して異なる組
   成および/または異なる微構造を有する固化体同士が凹
   凸を有する界面で接合してなる固化体を得る工程と、該
   固化体を焼結する工程を含むことを特徴とする請求項1
   記載の無機質接合部材の製造方法。