(57)【要約】【課題】母材試料表面上に膜状材料やバルク材料が強く接着した複合接着材料を製造する方法及び所定の機能性、及び物性の付与された複合接着材料を提供する。【解決手段】母材試料表面上に膜状材料もしくはバルク材料を形成又は載置し、加熱過程において遠心力を負荷することにより、母材試料の表面上に強く接着する材料を製造する方法であって、（１）母材試料表面に材料を形成又は載置する、（２）上記材料を加熱する、（３）上記加熱過程において遠心力を負荷する、（４）上記（１）〜（３）により、母材試料表面に強く接着した材料を得る、ことを特徴とする接着材料の製造方法、及びその接着材料。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材試料表面に材料を強固に接着した接着材料を製造する方法であって、
（１）母材試料表面に材料を形成又は載置する、
（２）上記材料を加熱する、
（３）上記加熱過程において遠心力を負荷する、
（４）上記（１）〜（３）により、母材試料表面に強く接着した接着材料を得る、
ことを特徴とする接着材料の製造方法。
【請求項２】
母材試料が、プラスチック、金属、単結晶、又はセラミックスである、請求項１記載の方法。
【請求項３】
母材として、任意の形状の基板を用いる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
材料が、膜状又はバルク状の有機物、金属、又はセラミックスである、請求項１記載の方法。
【請求項５】
上記材料を３０〜１９００℃で加熱する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
上記加熱過程において１０−３〜１０８　Ｎの遠心力を負荷する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の方法により圧力手段と材料を非接触の状態で所定の圧力を材料に負荷して製造された、母材試料表面に強固に接着された接着材料。
【請求項８】
請求項７記載の接着材料を構成要素として含むことを特徴とする複合部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、母材試料表面に材料を強固に接着させた接着材料を製造する方法
及びその接着材料に関するものであり、更に詳しくは、例えば、プラスチック、金属、単結晶、セラミックス、ガラス等の母材試料表面に、例えば、有機物、金属、セラミックス等の材料を強固に接着させた接着材料を製造する方法、及びそれらの接着材料に関するものである。本発明は、材料に機械的な圧力を直接的に負荷することなく、圧力手段を材料に非接触で所定の圧力を材料に負荷することにより簡便な操作プロセスで母材試料表面に材料を強固に接着し、所定の機能性、及び物性が付与された複合接着材料を作製する新規技術を提供するものとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、異種材料の接着もしくは同種材料同士の接着は、母材試料の新たな機能付与や材料機能の融合化や複合化、耐熱性や熱衝撃性の向上等の観点から重要な技術である。通常、異種材料の接着もしく同種材料同士の接着は、（１）材料間に中間材を挿入する方法、（２）接着する材料に機械的な圧力を負荷する方法、のいずれかの方法が採られている。これらの方法のうち、上記（１）の方法については、通常、低融点で液相を生成もしくは低温で軟化する材料が接着材として用いられている。更には、材料の熱膨張の違いにより発生する応力を緩和させるために、接着する材料間に応力緩和材を挟んで接着することが行われている。
【０００３】
しかしながら、このような接着材及び応力緩和材を使用する場合には、それらの接着工程が複雑になること、及び接着材もしくは応力緩和材の部分が破壊の起点になること等の問題が生ずる。また、低融点の接着材として鉛系材料が多量に使用されているが、水質汚染、環境汚染、健康に有害という観点から、近年、鉛系材料の使用が規制されている。次に、上記（２）の方法については、数ｃｍ以上の大きさを持つ試料同士を接着する場合には、ホットプレス焼結装置や圧着装置等を使って接着が行われている。この場合、接着材や応力緩和材を使用しないという利点があるが、接着できる試料の大きさがホットプレスの押し棒の大きさに制限されること、押し棒との接触面が汚染されるためにその加工及び除去工程が必要であること、接着する材料の厚さが制限されること、及び複雑形状を有する試料表面への材料の接着は困難であること等の問題が挙げられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術における諸問題を抜本的に解決することができる新しい材料接着技術を開発することを目標として鋭意研究を進める過程で、母材試料表面に材料を接着する方法において、材料の加熱時に所定の遠心力を負荷することにより、対象とする母材試料表面に材料が強く密着した複合接着材料を容易に製造することができることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。
【０００５】
すなわち、本発明は、母材試料表面に材料を強固に接着する接着方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上記方法により、母材試料表面に材料を強固に接着させた複合接着材料の製造方法を提供することを目的とするものである。
更に、本発明は、上記方法により圧力手段を材料に非接触で所定の圧力を材料に負荷することにより製造された、所定の機能性、及び特性が付与された接着材料、及び当該接着材料を構成要素として含む複合部材を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）母材試料表面に材料を強固に接着した接着材料を製造する方法であって、（ａ）母材試料表面に材料を形成又は載置する、
（ｂ）上記材料を加熱する、
（ｃ）上記加熱過程において遠心力を負荷する、
（ｄ）上記（ａ）〜（ｃ）により、母材試料表面に強く接着した接着材料を得る、
ことを特徴とする接着材料の製造方法。
（２）母材試料が、プラスチック、金属、単結晶、又はセラミックスである、上記（１）記載の方法。
（３）母材として、任意の形状の基板を用いる、上記（１）記載の方法。
（４）材料が、膜状又はバルク状の有機物、金属、又はセラミックスである、上記（１）記載の方法。
（５）上記材料を３０〜１９００℃で加熱する、上記（１）記載の方法。
（６）上記加熱過程において１０−３〜１０８　Ｎの遠心力を負荷する、上記（１）記載の方法。
（７）上記（１）から（６）のいずれかに記載の方法により圧力手段と材料を非接触の状態で所定の圧力を材料に負荷して製造された、母材試料表面に強固に接着された接着材料。
（８）上記（７）記載の接着材料を構成要素として含むことを特徴とする複合部材。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、対象とする母材試料表面に膜状材料もしくはバルク材料を載置し、それらに対し、加熱時に所定の遠心力を負荷することにより、膜状材料やバルク材料を強固に母材試料表面に接着させることにより所定の機能性、及び特性が付与された複合接着材料を製造し、提供することを特徴とするものである。この場合、膜状材料としては、例えば、硬質膜、電気伝導性膜、絶縁性膜、圧電性膜等が例示されるが、これらに制限されない。これらの材料は、母材試料表面に、例えば、塗布、スクリーン印刷、ゾル−ゲル法、スパッター法等により載置される。また、バルク材料としては、耐熱性のあるセラミックスや耐熱合金等が例示されるが、これらに制限されない。これらの材料は、適宜の手段により母材試料表面に載置される。
【０００８】
本発明で対象とする母材試料としては、例えば、プラスチック、金属、単結晶、セラミックス、ガラス等が例示され、また、接着する材料としては、例えば、有機物、金属、セラミックス等が例示されるが、これらに制限されるものではなく、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。本発明では、母材試料と、接着する材料を適宜組み合わせることにより、所望の機能性、及び特性を母材試料に付与することができる。本発明において、母材試料及び膜状もしくはバルク材料の好適な具体例としては、例えば、ゾル−ゲル法で作製した無機膜を単結晶基板へ接着した複合材料、プラスチック母材へセラミックス系硬質膜を接着した複合材料等が例示される。しかし、これらは、本発明の代表的な例を示すものであって、本発明は、これらに制限されるものではない。
【０００９】
本発明は、例えば、高速回転する円盤もしくはローターから構成される接着装置の所定の位置に、母材試料及び接着を行う試料を載置し、それらの試料に対して、それらの加熱時に遠心力を負荷することにより、膜状材料やバルク材料を母材となる試料に強く接着させることを基本原理とするものである。
この場合、負荷する遠心力Ｆは、以下の式で示される。
Ｆ　＝　ｍｒω２
ここで、ｍは材料の質量、ｒは円盤もしくはローターの中心から試料までの位置、ωは円盤もしくはローターの角速度である。上記の式より、材料の比重が大きく、円盤もしくはローターの中心から試料までの位置が長く、円盤もしくはローターの角速度が大きいものほど負荷する遠心力は大きくなる。尚、円盤もしくはローターの角速度は、円盤もしくはローターの回転数に比例するので、円盤もしくはローターを高速回転することで遠心力は大きくなる。そのために、高い接着力を有する接着材料を得たい場合には、回転する円盤もしくはローターの中心から試料までの距離をなるべく長くとり、円盤もしくはローターの回転数を大きくすることが望ましい。本発明において、これらの回転数は、好適には、５００〜１００，０００ｒｐｍである。
【００１０】
加熱時に負荷する遠心力が大きいものほど材料同士の接着力が増加するが、上記の式で示すように、負荷する遠心力は、接着する材料の質量、円盤もしくはローターの中心から試料までの距離、円盤もしくはローターの回転数によって決定されるので、そのために、例えば、試料の質量が小さい場合には、円盤もしくはローターの中心から試料までの距離を長く取り、円盤もしくはローターの回転数を増すことにより、接着のための必要な遠心力を発生させることができる。
【００１１】
本発明において、接着のために必要な遠心力は、好適には、１０−１０　〜１０８Ｎである。ここでの遠心力の最低値は、例えば、粉末同士の接着の場合には大きな遠心力を必要としないので、１０−１０　Ｎとすることが好ましい。また、その最高値は、例えば、材料によっては、ホットプレス並みの圧力負荷が接着に必要であるので１０８　Ｎとすることが好ましい。
【００１２】
図１に、遠心力負荷による材料の接着方法の模式図を示す。高速回転により、円盤の半径方向から発生する遠心力が接着させる材料（膜状材料もしくはバルク材料）に負荷される。この遠心力により、膜状材料もしくはバルク材料は、母材試料（基板）の表面に強く押し付けられ、同時に母材試料と材料の界面反応等が生じることによりそれらの接着性が向上する。
【００１３】
本発明の方法は、圧力手段と材料が非接触な状態で所定の圧力を材料に負荷するものであるため、焼成後の試料表面の汚染や副生成物の生成が抑えられ、クリーンな環境下で母材試料表面に膜状材料やバルク材料が強く密着した複合接着材料を得ることができるという特徴を有する。
本発明は、膜状材料やバルク材料を母材試料表面に強固に密着させる加熱温度については、特に制限されない。これは、対象とする材料種によって物質の拡散速度、材料同士の界面反応性が大きく違うためである。例えば、後記する実施例に示されるように、例えば、ステンレス基板にＳｉＯ２　膜を接着する場合には、焼成温度として４００℃が採用されるが、これらは、対象とする材料種によって適宜決定される事項である。本発明では、これらの対象とする材料種を適宜選択することによって、所望の機能性、及び特性を有する複合接着材料を合成することができる。
【００１４】
本発明の方法では、少なくとも、所定の回転速度で高速回転する機能を有する駆動手段、当該駆動手段により回転可能に設置された円盤もしくはローター、この円盤もしくはローター上の円周部分に形成された母材試料（基板）を保持する機能を有する保持手段を構成要素として含む母材試料及び膜状もしくはバルク材料を接着するための接着装置が使用される。これらの具体的構成としては、例えば、高速回転が可能な試料台を有するワーク部、当該ワーク部を加熱する加熱部、当該加熱部の加熱温度を制御する温度制御部、上記ワーク部を回転させる回転部、当該回転部の回転速度を制御する回転速度制御部、真空磁気シール軸受け部、及び密閉用の蓋体を具えているものが例示される。しかし、これらに限定されるものではなく、本発明では、母材試料、膜状もしくはバルク材料の種類、形態、使用目的等に応じて、これらの装置の仕様を任意に設計し、使用することができる。
【００１５】
【作用】
本発明は、母材試料表面上に膜状材料もしくはバルク材料を形成又は載置し、それらの加熱過程において遠心力を負荷することにより、母材試料の表面上にこれらの材料が強く接着した複合接着材料を製造することを特徴とするものであり、上記母材試料及び材料の加熱、焼成過程で、これらに所定の遠心力を負荷することにより、母材試料表面に膜状材料やバルク材料を強固に接着させることにより所定の機能性、及び特性の付与された複合接着材料を製造し、提供することができる。上記遠心力により、膜状材料やバルク材料は、母材試料の表面に強く押し付けられ、同時に界面反応等が生じ、それらの作用により材料の接着性が向上するので、母材試料及び膜状材料やバルク材料の種類、使用目的等に応じて加熱、焼成条件、負荷する遠心力等を適宜調整することにより、所望の接着性、機能性、及び特性を有する複合接着材料を作製することが可能となる。本発明では、圧力手段と材料が非接触の状態で所定の圧力を材料に負荷することができるので、従来の方法では不可避的に問題となる加熱、焼成後の試料表面の汚染や副生成物の生成が抑えられ、それにより、クリーンな環境下で上記接着材料を作製することが可能となる。
【００１６】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
本実施例では、ステンレス基板にＳｉＯ２　膜が強固に接着した複合接着材料を作製した例について説明する。
１．接着材料の作製
Ｓｉ（ＯＣ２　Ｈ５　）４　（＝ＴＥＯＳ）に、ｎ−Ｃ４　Ｈ９　ＯＨを加えて混合し、これに、加水分解に必要なＨ２　Ｏと、触媒としてのＨ３　ＰＯ４　をＣ２　Ｈ５　ＯＨに溶かして添加した。なお、膜形成に関わる溶液の調合組成は、モル比でＴＥＯＳ：ｎ−Ｃ４　Ｈ９　ＯＨ：Ｃ２　Ｈ５　ＯＨ：Ｈ２　Ｏ：Ｈ３　ＰＯ４　＝１：７：７：７：０．０５とした。この溶液を、ディッピング法によりステンレス基板上に塗布し、これをテスト材（試料の厚さ：約５００ｎｍ）とした。
【００１７】
材料の加熱（焼成）は、以下の各プロセスに示す焼成温度、時間、及び遠心力下で行った。
（１）：焼成温度：４００℃、　保持時間：１分間
（２）：焼成温度：４００℃、　保持時間：１分間、遠心力：１×１０−６Ｎ（基板上の膜に対して）
（３）：（１）のプロセス＋（２）のプロセス
【００１８】
２．テスト結果
ステンレス鋼板上でのＳｉＯ２　膜の接着性は、以下の手法で評価した。ＳｉＯ２　膜を付けたステンレス基板に、引っ張り試験機により１軸方向の応力を付加し、１％の伸びを与えた。次に、セロテープ（登録商標）による剥離試験を行い、その後、ステンレス基板上に残存しているＳｉＯ２　膜の面積から、接着性を定量的に評価した。尚、ＳｉＯ２　膜の面積率は、剥離試験後の試料表面を走査型電子顕微鏡により観察し、その画像を画像処理することにより求めた。
【００１９】
表１に、上記（１）〜（３）のプロセス及び条件で加熱（焼成）した時のステンレス基板表面上のＳｉＯ２　膜の残存面積率を示す。（１）の条件で行われた場合、引っ張り試験後には全面に線状のクラックが発生し、その試料を剥離試験するとＳｉＯ２　膜がほとんど剥がれ、そのために、ＳｉＯ２　膜の残存面積率は１２％であった。一方、遠心力を負荷して焼成したものについては、引っ張り試験後には全くクラックが発生せず、剥離試験を行ってもＳｉＯ２　膜の減少変化は見られなかった。その結果、上記（２）及び（３）の条件で行ったものは、基板表面上のＳｉＯ２　膜の残存面積割合は９０％以上となった。これは、遠心力を負荷して焼成したものは、基板に強く密着しているために基板に追随して伸びたためであると考えられる。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
実施例２
本実施例では、金属微粒子膜を基板上に形成し、それを遠心力下で加熱して複合接着材料を作製した例について説明する。
１．接着材料の作製
市販微粒子銅粉末（平均粒径：３ミクロンメートル）を溶媒（主成分ポリエチレングルコール）中に入れ、ペーストを作製した。得られたペーストをスクリーンに載せ、シリカ硝子基板上に印刷した。印刷後、その基板を大気中１１０℃で加熱した。その基板上のペーストに約１×１０−４Ｎの遠心力を与えながら、真空下で昇温速度１０℃／ｍｉｎで６００℃まで加熱し、６００℃で５分保持し、その後、炉冷とした。比較のために、製膜した基板に遠心力を負荷せず、加熱した実験も併せて行った。
【００２２】
２．テスト結果
シリカ硝子基板と製膜した銅との付着力を引っかき試験で評価した。引っかき試験は、硬い小さな針を銅膜に押し付け、荷重を徐々に増やし、針を動かして銅膜が剥離するときの荷重を測定する方法である。針に荷重を掛け基板上の銅膜に押し付けることにより、針が膜を破壊させる力、いわゆる膜を引っかいて基板から膜をはぎとる力を測定し、基板への膜の付着力を図るものである。
【００２３】
図２に、針に掛けた荷重（針先荷重）と針に掛かる抵抗力の関係を示す。遠心力を負荷して得られた膜は３４５ｇの荷重を掛けたとき、膜の一部が基板から完全に取り除かれた。一方、遠心力を負荷せず得られた膜は２２３ｇの荷重を負荷したとき、膜が基板から取り除かれた。ここで、針に掛かる抵抗力は遠心力の処理をしたものは７０ｇｆ、遠心処理をせず加熱のみしたものは３８ｇｆであった。これらの結果から、加熱時に遠心力を負荷して得られた膜は、比較例のものと比べて、基板に強固に接着しており、強固な接着力を有していることが分かった。
【００２４】
実施例３
本実施例では、窒化アルミニウム母材にアルミニウム金属を接着して複合接着材料を作製した例について説明する。
１．接着材料の作製
窒化アルミニウム焼結体を、以下に示す方法で作製した。市販の窒化アルミニウム粉末に、５ｍａｓｓ％のイットリアを加え、メタノールを溶媒として用いて、ボールミルを使い、混合した。粉末を乾燥後、１８００℃で３時間、窒素雰囲気下で加熱し、セラミックス焼結体を作製した。その後、得られた焼結体を１０ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍ（厚さ）の板状に加工し、母材試料とした。
【００２５】
金属アルミニウムについては、市販の９９．９９９％の純アルミニウムを１０ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍ（厚さ）の板状に加工し、接着させる試料とした。窒化アルミニウム及び金属アルミニウムを有機系の接着材で固定し、遠心力下で焼成を行った。
焼成は、以下の各プロセスに示す焼成温度、時間、及び遠心力下で行った。
（１）焼成温度：５００℃、保持時間：１分間
（２）焼成温度：５００℃、保持時間：１分間　遠心力：１×１０−６Ｎ
【００２６】
２．テスト結果
窒化アルミニウム／アルミニウム接着体の評価は、引っ張り試験法で行った。接着体から接着体の界面を挟むように試験片を切り出し、その試験片の両端に瞬間接着剤で金属製の引っ張り試験片冶具を取り付け、試験機で引っ張り試験を室温で行った。遠心力を負荷していないものは、即時破断し、その引っ張り強さは２．３ＭＰａであった。一方、１×１０−６Ｎの遠心力を負荷したものは、引っ張り強さは８０ＭＰａであり、遠心力を負荷して焼成したものが強固に接着したことが分かった。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、接着材料の製造方法及び接着材料に係るものであり、本発明により、１）母材試料表面に膜材料又はバルク材料を接着する方法において、材料の加熱時に所定の遠心力を負荷することにより、母材試料表面に膜状材料又はバルク材料が強固に接着した複合接着材料を作製することができる、２）圧力手段を材料に非接触で所定の圧力を材料に負荷する方法により接着材料を製造することができる、３）そのために、焼成後の試料表面の汚染や副生成物の生成が抑えられ、クリーンな環境下で母材試料表面に膜状材料やバルク材料が強く密着した複合接着材料を作製することができる、４）所定の機能性、及び特性を付与した複合接着材料を製造し、提供することができる、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】加熱時の遠心力負荷により試料（膜状材料及びバルク材料）を母材試料に接着させる方法を示す。
【図２】針に掛けた荷重（針先荷重）と針に掛かる抵抗力の関係を示す。
【図１】
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【図２】
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