(57)【要約】【課題】接合強度が高い樹脂セラミック接合体を製造する。【解決手段】実施形態において、樹脂部材とセラミック部材とが接合された樹脂セラミック接合体の製造方法は、メッキ工程と陽極酸化工程と接合工程とを有する。メッキ工程では、セラミック部材において樹脂部材が接合される接合面にアルミニウムめっき層を形成する。陽極酸化工程では、アルミニウムめっき層について陽極酸化処理を行うことによって陽極酸化皮膜を形成する。接合工程では、セラミック部材において陽極酸化皮膜が形成された接合面を樹脂部材に押し付けることによって、樹脂部材とセラミック部材との間を接合する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂部材とセラミック部材とが接合された樹脂セラミック接合体の製造方法であって、
前記セラミック部材において前記樹脂部材が接合される接合面にアルミニウムめっき層を形成するメッキ工程と、
前記アルミニウムめっき層について陽極酸化処理を行うことによって陽極酸化皮膜を形成する陽極酸化工程と、
前記セラミック部材において前記陽極酸化皮膜が形成された前記接合面を前記樹脂部材に押し付けることによって、前記樹脂部材と前記セラミック部材との間を接合する接合工程と
を有する、樹脂セラミック接合体の製造方法。
【請求項２】
前記セラミック部材は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、ジルコニアの少なくとも１つを用いて形成されている、
請求項１に記載の樹脂セラミック接合体の製造方法。
【請求項３】
前記樹脂部材は、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリ四フッ化エチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトンの少なくとも一つを用いて形成されている、
請求項１または２に記載の樹脂セラミック接合体の製造方法。
【請求項４】
前記接合工程は、
前記セラミック部材を前記樹脂部材の融点以上であって前記樹脂部材の熱分解温度よりも低い温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程で加熱された前記セラミック部材を前記樹脂部材に加圧して押し付ける加圧工程と、
を有する、
請求項１から３のいずれかに記載の樹脂セラミック接合体の製造方法。
【請求項５】
前記接合工程は、
前記加圧工程を行った後に、前記加圧工程において前記セラミック部材を前記樹脂部材に加圧して押し付けた状態で、冷却を行う冷却工程
を有する、
請求項４に記載の樹脂セラミック接合体の製造方法。
【請求項６】
前記セラミック部材は、多孔質体である、
請求項１から５のいずれかに記載の樹脂セラミック接合体の製造方法。
【請求項７】
前記セラミック部材において多孔質体の気孔は、開放気孔である、
請求項６に記載の樹脂セラミック接合体の製造方法。
【請求項８】
樹脂部材と、
陽極酸化皮膜を有するアルミニウムめっき層と、
前記アルミニウムめっき層を有するセラミック部材と、
前記樹脂部材は前記セラミック部材と前記陽極酸化皮膜を接合面として接合された
ことを特徴とする樹脂セラミック接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、樹脂セラミック接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂で形成された樹脂部材の一部を補強するために、樹脂部材にセラミック部材を接合することが提案されている。たとえば、蒸気タービンに用いられるタービン翼を樹脂で形成する際に、そのタービン翼の先端部を補強するために、タービン翼の先端部にセラミック部材を接合することが求められている。
【０００３】
上記のように、樹脂部材にセラミック部材が接合された樹脂セラミック接合体は、たとえば、セラミック部材に部分的に設けられた多孔質領域に、樹脂部材の突起部を接合することで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４７５３７５６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような樹脂セラミック接合体は、樹脂部材とセラミック部材との間は、接合強度が十分に高くない。
【０００６】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、接合強度が高い樹脂セラミック接合体を製造することが可能な、樹脂セラミック接合体の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態において、樹脂部材とセラミック部材とが接合された樹脂セラミック接合体の製造方法は、メッキ工程と陽極酸化工程と接合工程とを有する。メッキ工程では、セラミック部材において樹脂部材が接合される接合面にアルミニウムめっき層を形成する。陽極酸化工程では、アルミニウムめっき層について陽極酸化処理を行うことによって陽極酸化皮膜を形成する。接合工程では、セラミック部材において陽極酸化皮膜が形成された接合面を樹脂部材に押し付けることによって、樹脂部材とセラミック部材との間を接合する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、接合強度が高い樹脂セラミック接合体を製造することが可能な、樹脂セラミック接合体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体の製造工程を示すフロー図である。
【図３】図３は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体の製造工程の様子を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体の製造工程の様子を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体の製造工程の様子を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体において、陽極酸化皮膜を模式的に示す斜視図である。
【図７】図７は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体の製造工程において、接合工程を示すフロー図である。
【図８】図８は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体の接合工程において、セラミック部材の温度Ｔと、セラミック部材を樹脂部材に押し付けるときの圧力Ｐとの関係の一例を模式的に示す図である。
【図９】図９は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体で構成された物品の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１１】
［構成］
図１は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体を示す断面図である。図１は、樹脂セラミック接合体の構成を模式的に示しており、各部の寸法比は、図示の都合等によって、現実の樹脂セラミック接合体の場合から変えている（他図も同様）。
【００１２】
本実施形態において、樹脂セラミック接合体１は、図１に示すように、樹脂部材１１とセラミック部材２１とを有する。樹脂セラミック接合体１において、樹脂部材１１は、側端部に段差が形成されている。セラミック部材２１は、樹脂部材１１に形成された段差に嵌め込まれて接合されている。
【００１３】
ここでは、樹脂セラミック接合体１は、樹脂部材１１とセラミック部材２１との間に、陽極酸化皮膜３２が形成されたアルミニウムめっき層３１が介在している。
【００１４】
［製造方法］
本実施形態において、上記の樹脂セラミック接合体１を製造するときに行う各工程に関して説明する。
【００１５】
図２は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体の製造工程を示すフロー図である。図３から図５は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体の製造工程を行うときの様子を模式的に示す断面図である。
【００１６】
（ＳＴ１）準備工程
本実施形態において樹脂セラミック接合体１を製造する際には、図２に示すように、まず、樹脂部材１１とセラミック部材２１とを準備する準備工程を行う。
【００１７】
準備工程では、たとえば、長さが数ｍである比較的に大型な樹脂部材１１を準備する。また、たとえば、長さが数ｃｍから数十ｃｍであるセラミック部材２１を準備する。
【００１８】
具体的には、樹脂部材１１としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリ四フッ化エチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトンの少なくとも一つの樹脂を用いて形成された成形体を準備する。上記した樹脂材料は、熱可塑性を有する結晶性樹脂である。上記した樹脂材料は、密度が低いため、樹脂セラミック接合体１の軽量化を容易に実現することができる。また、上記した樹脂材料を用いて形成された樹脂部材１１は、強度が高いため、樹脂セラミック接合体１の強度向上を容易に実現することができる。
【００１９】
また、セラミック部材２１としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、ジルコニアの少なくとも１つを用いて形成された焼結体を準備する。上記のセラミック材料を用いて形成されたセラミック部材２１は、硬度が高い。このため、たとえば、樹脂セラミック接合体１においてエロージョンが生じやすい部分に、上記のセラミック材料を用いたセラミック部材２１を設けることで、エロージョンの発生を抑制することができる。
【００２０】
（ＳＴ２）メッキ工程
つぎに、図２に示すように、セラミック部材２１にアルミニウムめっき層３１を形成するメッキ工程を行う。
【００２１】
メッキ工程では、図３に示すように、セラミック部材２１において樹脂部材１１が接合される接合面Ｓ２１に、アルミニウムめっき層３１を形成する。ここでは、セラミック部材２１の接合面Ｓ２１は、第１接合面Ｓ２１ａと、その第１接合面Ｓ２１ａに直交する第２接合面Ｓ２１ｂとを含み、第１接合面Ｓ２１ａおよび第２接合面Ｓ２１ｂの両者がアルミニウムめっき層３１で被覆されるように、アルミニウムめっき層３１の形成を行う。
【００２２】
本実施形態では、アルミニウムめっき層３１の形成は、たとえば、無電解メッキ法によって行われる。アルミニウムめっき層３１は、たとえば、厚みが１０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲になるように、成膜される。
【００２３】
（ＳＴ３）陽極酸化工程
つぎに、図２に示すように、アルミニウムめっき層３１について陽極酸化処理を行うことによって陽極酸化皮膜３２を形成する陽極酸化工程を行う。
【００２４】
陽極酸化工程では、図４に示すように、セラミック部材２１の接合面Ｓ２１に形成されたアルミニウムめっき層３１において樹脂部材１１に接合される表面部分に陽極酸化皮膜３２を形成する。
【００２５】
具体的には、アルミニウムめっき層３１が形成されたセラミック部材２１と、陰極材（図示省略）とを、たとえば、硫酸を含む電解液（図示省略）中に浸す。そして、アルミニウムめっき層３１を陽極として、アルミニウムめっき層３１と陰極材との間に直流電圧を印加する。これにより、アルミニウムめっき層３１の表面が酸化されることによって、酸化アルミニウムが陽極酸化皮膜３２として生成される。陽極酸化皮膜３２は、たとえば、厚みが１μｍ以上、１０μｍ以下の範囲になるように、成膜される。
【００２６】
図６は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体において、陽極酸化皮膜３２を模式的に示す斜視図である。
【００２７】
陽極酸化皮膜３２は、アルマイト皮膜であって、図６に示すように、バリア皮膜部３２１と多孔質皮膜部３２２とを有する。陽極酸化皮膜３２において、バリア皮膜部３２１は、アルミニウムめっき層３１側に位置し、多孔質皮膜部３２２は、表面側に位置するように形成されている。陽極酸化皮膜３２は、六角柱形状のセルが複数配列されて構成されている。陽極酸化皮膜３２において、六角柱形状のセルの中心には、微細孔３２２Ｋが深さ方向に延在するように形成されており、この微細孔３２２Ｋによって多孔質皮膜部３２２が構成されている。このため、アルミニウムめっき層３１の表面は、陽極酸化皮膜３２によって微細な凹凸構造を有する。なお、微細孔３２２Ｋは、陽極酸化皮膜３２を貫通するように構成されていてもよい。
【００２８】
（ＳＴ４）接合工程
つぎに、図２に示すように、樹脂部材１１とセラミック部材２１とを接合する接合工程を行う。
【００２９】
接合工程では、図５に示すように、セラミック部材２１において陽極酸化皮膜３２が形成された接合面Ｓ２１を樹脂部材１１に押し付ける（太い矢印参照）。
【００３０】
図７は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体の製造工程において、接合工程を示すフロー図である。図８は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体の接合工程において、セラミック部材２１の温度Ｔと、セラミック部材２１を樹脂部材１１に押し付けるときの圧力Ｐとの関係の一例を模式的に示す図である。図８において、横軸は、時間ｔであって、左側の縦軸が温度Ｔを示し、右側の縦軸が圧力Ｐを示している。そして、太い実線は、温度Ｔの推移を示し、太い破線は、圧力Ｐの推移を示している。
【００３１】
（ＳＴ４１）加熱工程
図７に示すように、接合工程を行う際には、最初に、セラミック部材２１を加熱する加熱工程を行う。
【００３２】
加熱工程（ＳＴ４１）では、図８に示すように、たとえば、初期の温度Ｔ１（ｔ＝ｔ０）から一定の割合で上昇させた温度Ｔ２（ｔ＝ｔ１）になるように、セラミック部材２１を加熱する。加熱は、たとえば、ヒータを用いて行われる。ここでは、加熱された後のセラミック部材２１の温度Ｔ２が、樹脂部材１１の融点Ｔｍ以上であって、樹脂部材１１の熱分解温度Ｔｐよりも低くなるように、加熱を行う（Ｔｍ≦Ｔ２＜Ｔｐ）。
【００３３】
（ＳＴ４２）加圧工程
つぎに、図７に示すように、加熱工程で加熱されたセラミック部材２１を樹脂部材１１に加圧して押し付ける加圧工程を行う。
【００３４】
加圧工程（ＳＴ４２）では、図８に示すように、加圧前の圧力Ｐ１（ｔ＝ｔ１，Ｐ１＝０）から上昇させた圧力Ｐ２（ｔ＝ｔ２）になるように、セラミック部材２１を樹脂部材１１に加圧して押し付ける。加圧は、加圧装置を用いて行われる。ここでは、セラミック部材２１を樹脂部材１１に押し付ける圧力Ｐ２は、下限値ＰＬが０．０１ＭＰａであって、上限値ＰＵが１ＭＰａであることが好ましい（０．０１ＭＰａ≦Ｐ２≦１ＭＰａ）。圧力Ｐ２が上記の下限値ＰＬよりも低い場合には、接合強度が不十分になる場合がある。圧力Ｐ２が上記の上限値ＰＵよりも高い場合には、加圧によって樹脂部材１１に破損が生ずる場合がある。
【００３５】
また、加圧工程（ＳＴ４２）では、図８に示すように、セラミック部材２１は、たとえば、加熱工程（ＳＴ４１）で加熱された後の温度Ｔ２を保持される。つまり、セラミック部材２１の温度Ｔ２は、樹脂部材１１の融点Ｔｍ以上である。このため、加圧工程（ＳＴ４２）においては、セラミック部材２１の温度Ｔ２の影響によって、樹脂部材１１が軟化して、流動する。上述したように、セラミック部材２１の接合面Ｓ２１に形成されたアルミニウムめっき層３１の表面は、陽極酸化皮膜３２によって微細な凹凸構造を有するので、その微細な凹凸構造を有する陽極酸化皮膜３２の微細孔３２２Ｋの内部に樹脂部材１１の一部が流入する。
【００３６】
なお、セラミック部材２１の温度Ｔ２は、上述したように、樹脂部材１１の熱分解温度Ｔｐよりも低い。このため、樹脂部材１１は、セラミック部材２１の温度Ｔ２の影響によって、熱分解が生ずることがない。
【００３７】
（ＳＴ４３）冷却工程
つぎに、図７に示すように、セラミック部材２１を樹脂部材１１に加圧して押し付けた状態で、冷却する冷却工程を行う。
【００３８】
冷却工程（ＳＴ４３）では、図８に示すように、たとえば、加圧工程（ＳＴ４２）で加圧したときの圧力Ｐ２を保持するように、セラミック部材２１を樹脂部材１１に加圧して押し付ける。そして、冷却工程（ＳＴ４３）では、たとえば、加熱によって上昇した温度Ｔ２（ｔ＝ｔ２）から初期の温度Ｔ１（ｔ＝ｔ３）に一定の割合で下降するように、冷却を行う。冷却は、たとえば、クーラを用いて行われる。これにより、加圧工程（ＳＴ４２）において陽極酸化皮膜３２の微細孔３２２Ｋの内部に流入した樹脂部材１１の一部は、流動性が低下し、固化する。このようにして、樹脂セラミック接合体１を完成させる（図１参照）。
【００３９】
［まとめ］
したがって、本実施形態の樹脂セラミック接合体１において、樹脂部材１１とセラミック部材２１との間は、いわゆるアンカー効果によって、高い接合強度で接合される。また、樹脂部材１１に熱収縮が生じたときに、樹脂部材１１がセラミック部材２１から剥離することを効果的に防止することができる。
【００４０】
図９は、実施形態に係る樹脂セラミック接合体で構成された物品の一例を模式的に示す図である。
【００４１】
図９に示すように、樹脂セラミック接合体１は、たとえば、蒸気タービンに用いられるタービン翼（動翼）であって、樹脂部材１１がタービン翼本体部を構成している。そして、タービン翼の先端において前縁側の部分に、セラミック部材２１が保護部として接合されている。図９では図示を省略しているが、上述した方法によって、樹脂部材１１とセラミック部材２１との間の接合が行われている。これにより、樹脂部材１１がセラミック部材２１に高い接合強度で接合されたタービン翼を形成することができる。また、タービン翼の先端において前縁側の部分は、エロージョンが生じやすいが、ここでは、樹脂部材１１よりも硬いセラミック部材２１が設けられているので、エロージョンの発生を抑制することができる。
【００４２】
［変形例］
樹脂セラミック接合体１において、セラミック部材２１は、多孔質体であることが好ましい。さらに、セラミック部材２１において多孔質体の気孔は、セラミック部材２１の内部で孤立した閉気孔でなく、外部に連通可能な開放気孔であることが好ましい。この場合には、セラミック部材２１を構成する多孔質体の気孔内部にアルミニウムめっき層３１が形成され、アルミニウムめっき層３１の表面は、陽極酸化皮膜３２によって微細な凹凸構造を有する。このため、樹脂部材１１とセラミック部材２１との間が、更に高い接合強度で接合されると共に、樹脂部材１１がセラミック部材２１から剥離することを更に効果的に防止することができる。
【００４３】
多孔質体のセラミック部材２１は、気孔率が１０％以上であって５０％以下の範囲であることが好ましい。気孔率が上記の下限値よりも低い場合には、樹脂部材１１の浸透が少なく、接合強度を十分に向上させることが困難な場合がある。気孔率が上記の上限値よりも高い場合には、セラミック部材２１の強度が十分でなくなる場合がある。
【００４４】
なお、上記した実施形態の加圧工程（ＳＴ４２）では、一定の温度Ｔ２を保持する場合について説明したが、これに限らない。加圧工程（ＳＴ４２）における温度Ｔ２は、樹脂部材１１の融点Ｔｍ以上であって、樹脂部材１１の熱分解温度Ｔｐよりも低い温度範囲において、変動させてもよい。
【００４５】
＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１…樹脂セラミック接合体、１１…樹脂部材、２１…セラミック部材、３１…アルミニウムめっき層、３２…陽極酸化皮膜、３２１…バリア皮膜部、３２２…多孔質皮膜部、３２２Ｋ…微細孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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