(57)【要約】【課題】接合強度の向上を図った中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体を得ることが可能なＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法を提供する。【解決手段】複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を互いの接合面で当接させて、不活性ガス雰囲気下で接合面に対して０．０５ＭＰａ〜１０．０ＭＰａの圧力を加えた状態で、１０００℃〜１４１４℃に加熱して保持することにより接合する。【選択図】図１
2013075799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を互いの接合面で当接させて、不活性ガス雰囲気下で前記接合面に対して０．０５ＭＰａ〜１０．０ＭＰａの圧力を加えた状態で、１０００℃〜１４１４℃に加熱して保持することにより接合することを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法。
【請求項２】
前記ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体のＳｉＣ充填率が２０体積％〜９５体積％であることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法。
【請求項３】
前記接合面の表面粗さが中心線平均粗さＲａで０．１μｍを超えないことを特徴とする請求項１又は２に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法。
【請求項４】
前記加熱して保持する時間は１時間〜１２時間であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法。
【請求項５】
不活性ガス雰囲気下で当接された接合面に対して０．０５ＭＰａ〜１０．０ＭＰａの圧力を加えた状態で、１０００℃〜１４１４℃に加熱して保持されることにより、複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体が接合されてなることを特徴とするＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体。
【請求項６】
当該ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体は中空構造であることを特徴とする請求項５に記載のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法、及びＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体が接合されてなるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ／Ｓｉ（炭化ケイ素／シリコン）複合材料からなるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体は、軽量で剛性が高く熱膨張が小さいという優れた特性を有し、半導体製造装置や液晶製造装置など精密機器の構成品に使用されている。
【０００３】
中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を作製する場合には、接合工程を経る必要がある。従来、有機バインダを使用してＳｉＣ多孔質体を接着し、これに金属Ｓｉを含浸させて一体化させる方法（例えば、特許文献１参照）、金属箔等のろう材を使用して複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を接合する方法などによって、中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得ていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５０１８１号公報
【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、有機バインダで接着したＳｉＣ多孔質体に金属Ｓｉを含浸させる方法では、有機バインダの接合面への塗布量を調整することが困難である。そして、塗布量が過多になると接合体の内部空間を閉塞するおそれがあり、過少になると接合体の接合強度及び気密性が低下するおそれがあった。また、金属Ｓｉは凝固すると膨張するため、降温時にＳｉＣ多孔質体から金属Ｓｉが染み出し、接合体の内部空間を閉塞することがあった。このように、この方法は、中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を作製することには適していない。
【０００６】
一方、ろう材を使用して接合する方法では、空隙無く接合することは困難であり、接合強度が著しく低下するおそれがあった。
【０００７】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、接合強度の向上を図った中空構造のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体を得ることが可能なＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法、及びＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体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】
【０００８】
本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法は、複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を互いの接合面で当接させて、不活性ガス雰囲気下で前記接合面に対して０．０５ＭＰａ〜１０．０ＭＰａの圧力を加えた状態で、１０００℃〜１４１４℃に加熱して保持することにより接合することを特徴とする。
【０００９】
本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法によれば、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合面を直接接合することができ、有機バインダを使用した場合のようにＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体の内部空間を閉塞するおそれを解消することが可能となる。そして、後述する実施例から分かるように、接合部の接合強度は、元のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体（母材）の強度と同等であり、ろう材を使用した場合と比較して優れている。
【００１０】
なお、加熱温度が１０００℃未満では、Ｓｉの拡散が起こらないため、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料同士は接合しない。一方、加熱温度が１４１４℃を超えると、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体からＳｉが溶け出すため、接合体全体の強度の低下、溶出したＳｉによって内部空間が閉塞するなどの不具合が発生するおそれがある。
【００１１】
また、加圧力が０．０５ＭＰａ未満では、接合面内において非接触の割合が大きくなるため、接合が困難になる。一方、加圧力が１０．０ＭＰａを超えると、変形量が大きくなる、又は母材が損傷する。
【００１２】
本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法において、前記ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体のＳｉＣ充填率が２０体積％〜９５体積％であることが好ましい。なお、ＳｉＣ充填率は、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料中のＳｉＣの占有率を意味する。
【００１３】
ＳｉＣ充填率が２０体積％未満では、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体が低剛性となり、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体を構造部材に適用可能な範囲が非常に限定される。一方、ＳｉＣ充填率が９５％体積を超えると、金属Ｓｉの割合が少なくＳｉ同士が接触する部分が少なくなるため、接合強度が劣る。
【００１４】
ただし、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体のＳｉＣ充填率は２０体積％〜８０体積％であることがより好ましい。この場合、接合部に欠陥は発生せず、接合部の強度は母材であるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の強度と同等になる。
【００１５】
そして、本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法において、前記接合面の表面粗さが中心線平均粗さＲａで０．１μｍを超えないことが好ましい。
【００１６】
接合面の表面粗さＲａが０．１μｍを超えると、良好に接合することができない。
【００１７】
また、本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合方法において、前記加熱して保持する時間は１時間〜１２時間であることが好ましい。
【００１８】
保持時間が１時間未満では、Ｓｉの拡散が不十分なため、接合が不十分となる。一方、保持時間が１２時間を超えると、Ｓｉの蒸発により接合面の表面粗さが増加するので、接合が困難になる。
【００１９】
本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体は、不活性ガス雰囲気下で当接された接合面に対して０．０５ＭＰａ〜１０．０ＭＰａの圧力を加えた状態で、１０００℃〜１４１４℃に加熱して保持されることにより、複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体が接合されてなることを特徴とする。
【００２０】
本発明のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体によれば、有機バインダを使用することなく、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合面が直接接合されている。よって、有機バインダを使用した場合のようにＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体の内部空間が閉塞されているおそれを解消することが可能となる。従って、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体は中空構造であればより好ましい。
【００２１】
そして、後述する実施例から分かるように、接合部の強度は、元のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の強度と同等であり、ろう材を使用して接合されたものと比較して優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）は試験片の上面図を、（ｂ）は試験片の正面図を、（ｃ）は接合体の正面図をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を接合面で当接させた状態で加圧加熱（ホットプレス）して保持することにより、有機バインダやろう材などを使用することなく、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合面を直接接合してＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体（以下、単に接合体ともいう。）を得る方法、及びこれにより得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体に関する。
【００２４】
まず、接合に使用される複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を準備する。ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体のＳｉＣ充填率は、２０体積％〜９５体積％であることが好ましい。なお、ＳｉＣ充填率とは、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料中のＳｉＣの占有率を意味する。
【００２５】
ＳｉＣ充填率が２０体積％未満では、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体が低剛性となり、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体を構造部材に適用可能な範囲が非常に限定される。一方、ＳｉＣ充填率が９５％体積を超えると、金属Ｓｉの割合が少なくＳｉ同士が接触する部分が少なくなるため、接合強度が劣る。
【００２６】
ただし、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体のＳｉＣ充填率は２０体積％〜８０体積％であることがより好ましい。この場合、接合部に欠陥は発生せず、接合部の強度は母材であるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の強度と同等になる。
【００２７】
ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体は、その製造方法は限定されず、例えば、鋳造法、加圧鋳造法、加圧浸透法、非加圧浸透法、粉末冶金法などによって製造することができる。非加圧浸透法によりＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を製造する場合、ＳｉＣ粉末と有機バインダからなる混合物をプレス等で成形した成形体を所定形状に加工した後、これに金属Ｓｉを含浸させることにより行われる。
【００２８】
なお、複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体は、それぞれ適宜な形状に研削、切断加工を施す。このとき、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合面側に溝等を加工しておくことにより、完成後に接合体を中空構造とすることが可能となる。
【００２９】
そして、複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体のそれぞれの接合面に鏡面研磨を施す。このとき、接合面の表面粗さは中心線平均粗さＲａで少なくとも０．１μｍ以下とすることが好ましい。接合面の表面粗さＲａが０．１μｍを超えると、良好に接合することができず、接合強度が劣る。
【００３０】
次に、これら複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を接合面で当接させて加圧加熱した状態を保持する。加圧加熱状態を保持する構成は限定されず、例えば、炉内に油圧シリンダを設置してものであってもよい。
【００３１】
このとき、１０００℃〜１４１４℃に加熱する。加熱温度が１０００℃未満では、Ｓｉの拡散が起きないため、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料同士は接合しない。一方、加熱温度が１４１４℃を超えると、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体からＳｉが溶け出すため、接合体全体の強度の低下、溶出したＳｉによって溝部が閉塞するなどの不具合が発生する。
【００３２】
また、０．０５ＭＰａ〜１０．０ＭＰａに加圧する。加圧力が０．０５ＭＰａ未満では、接合面内において接触していない部分の割合が大きくなるため、接合が困難になる。一方、加圧力が１０．０ＭＰａを超えると、変形量が大きくなる、又は母材が損傷する。
【００３３】
接合面の面積、形状などによって適切な保持時間は変化するが、加圧加熱状態を１時間〜１２時間保持することが好ましい。保持時間が１時間未満では、Ｓｉの拡散が不十分なため、接合が不十分となる。一方、保持時間が１２時間を超えると、Ｓｉの蒸発により接合面の表面粗さが増加するので、接合が困難になる。
【００３４】
また、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気下で加圧加熱を行うことが望ましい。大気雰囲気で加圧加熱を行うと、Ｓｉ上に酸化膜が生成し、Ｓｉが拡散する際の障壁となる。また、真空状態で加圧加熱を行うと、上記温度範囲ではＳｉが活発に蒸発するので、接合面の表面荒さが増加し、接合が困難になる。
【００３５】
複数のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を接合面で当接させて加圧加熱した状態を保持することにより、Ｓｉが固相拡散して、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体の接合面が直接接合され、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体を得ることができる。そして、有機バインダを使用する必要がないので、上述した問題は発生しない。
【００３６】
以下、本発明の実施例及び比較例を具体的に挙げ、本発明を詳細に説明する。
【００３７】
〔実施例１〕
原料粉末としてＳｉＣ粉末（信濃電気製錬株式会社製のＧＰ＃５００、 平均粒径３０μｍ）を準備し、これに有機バインダとしてのフェノール樹脂粉末（ＤＩＣ株式会社製のＯＩ−３０５Ａ）を１５質量％添加した。そして、これを成形型に充填して熱プレス成形を行った。これにより、一辺１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形板形状の多孔質成形体を作製した。
【００３８】
そして、この多孔質成形体を金属Ｓｉ（日本電工株式会社製）とともに炉内に設置し、真空雰囲気で１２００℃に加熱した状態を１２時間保持することにより、フェノール樹脂を脱脂して炭化させた。その後、炉内を１６４５℃に加熱した状態を２２時間保持することにより、溶融ＳｉをＳｉＣ多孔質焼結体に含浸させた。これにより、ＳｉＣ充填率が５５体積％のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得た。
【００３９】
そして、このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体から一辺５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形板形状の試験片を２枚切り出した。さらに、それぞれの試験片に、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、幅２．０ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝を３本加工した。その後、溝を加工した面（接合面）に鏡面加工を施し、その表面粗さＲａを０．０５μｍとした。そして、図１（ｃ）に示すように、これら試験片を１．０ＭＰａで加圧して互いの接合面を当接させた状態で炉内に設置し、不活性ガス雰囲気下で１３００℃に加熱した状態を６時間保持した。これにより、試験片が接合され、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体が得られた。
【００４０】
得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体の接合部の断面を光学顕微鏡で観察した結果、接合部に空隙は認められなかった。また、接合部の四点曲げ強度は３００ＭＰａであり、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体（母材）と同じ強度であった。結果を表１にまとめた。
【００４１】
〔実施例２〕
実施例２として、接合時の加熱温度を１０２０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして試験片の接合を試みた。得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体の接合部の断面を光学顕微鏡で観察した結果、接合部に空隙は認められなかった。また、接合部の四点曲げ強度は２６０ＭＰａであり、十分な接合強度を有していた。
【００４２】
〔実施例３〕
実施例３として、接合時の加熱加圧保持時間を１１時間としたこと以外は、実施例１と同様にして試験片の接合を試みた。得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体の接合部の断面を光学顕微鏡で観察した結果、接合部に空隙は認められなかった。また、接合部の四点曲げ強度は２９０ＭＰａであった。
【００４３】
〔実施例４，５〕
実施例４，５として、接合時の加圧力をそれぞれ０．０５ＭＰａ、９．５ＭＰａとしたこと以外は、実施例１と同様にして試験片の接合を試みた。得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体の接合部の断面を光学顕微鏡で観察した結果、接合部に空隙は認められなかった。また、接合部の四点曲げ強度は３００ＭＰａであった。
【００４４】
〔実施例６〕
原料粉末としてＳｉＣ粉末１００質量％（大平洋ランダム株式会社製のＮＧ９０を６０質量％、信濃電気製錬株式会社製のＧＰ＃８００を４０質量％配合）及びコークス粉末１２質量％(オリエンタル産業株式会社製のＡＴ．Ｎｏ．４０−Ｃ)を準備し、これに有機バインダとしてのフェノール樹脂粉末（ＤＩＣ株式会社製のＯＩ−３０５Ａ）を１２質量％添加した。そして、これを成形型に充填して熱プレス成形を行った。これにより、一辺１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形板形状の多孔質成形体を作製した。
【００４５】
そして、この多孔質成形体を金属Ｓｉ（日本電工株式会社製）とともに炉内に設置し、真空雰囲気で１２００℃に加熱した状態を１２時間保持することにより、フェノール樹脂を脱脂して炭化させた。その後、炉内を１６４５℃に加熱した状態を２２時間保持することにより、溶融ＳｉをＳｉＣ多孔質焼結体に含浸させた。これにより、ＳｉＣ充填率が９０体積％のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得た。
【００４６】
そして、実施例１と同様に、このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体から試験片を作製し、これら試験片を加圧加熱した状態で保持して、試験片の接合を試みた。
【００４７】
得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体の接合部の断面を光学顕微鏡で観察した結果、接合部に空隙は認められなかった。また、接合部の四点曲げ強度は１８０ＭＰａであり、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体（母材）の四点曲げ強度２６０ＭＰａより低下していたが、十分な接合が確認された。
【００４８】
〔実施例７〕
原料粉末として、ＳｉＣ粉末１００質量％（信濃電気製錬株式会社製のＧＰ＃８００、平均粒径１７μｍ）と金属Ｓｉ粉末１２０質量％（福田金属箔粉工業株式会社製のＳｉ−Ｓ−１０μｍ、平均粒径１０μｍ）を準備した。また、有機バインダとして、フェノール樹脂（大日本インキ社製のＯＩ−３０５Ａ）を準備した。フェノール樹脂の添加量をＳｉＣ粉末に対し１０重量％として、これを成形型に充填して熱プレス成形を行った。これにより、一辺１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形板形状の多孔質成形体を作製した。
【００４９】
そして、この多孔質成形体を金属Ｓｉ（日本電工株式会社製）とともに炉内に設置し、真空雰囲気で１２００℃に加熱した状態を１２時間保持することにより、フェノール樹脂を脱脂して炭化させた。その後、炉内を１６４５℃に加熱した状態を２２時間保持することにより、溶融ＳｉをＳｉＣ多孔質焼結体に含浸させた。これにより、ＳｉＣ充填率が２２体積％のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得た。
【００５０】
そして、実施例１と同様に、このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体から試験片を作製し、これら試験片を加圧加熱した状態で保持して、試験片の接合を試みた。
【００５１】
得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料接合体の接合部の断面を光学顕微鏡で観察した結果、接合部に空隙は認められなかった。また、接合部の四点曲げ強度は１３０ＭＰａであり、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体（母材）と同じ強度であった。
【００５２】
〔実施例８〕
実施例８として、２枚の試験片の接合面の表面粗さＲａをともにそれぞれ０．０９μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして試験片の接合を試みた。その結果、四点曲げ強度は２６０ＭＰaであり、十分な接合強度を有していた。
【００５３】
〔比較例１〕
原料粉末としてＳｉＣ粉末１００質量％（大平洋ランダム株式会社製のＮＧ９０を６０質量％、信濃電気製錬株式会社製のＧＰ＃８００を４０質量％配合）及びコークス粉末１５質量％(オリエンタル産業株式会社製のＡＴ．Ｎｏ．４０−Ｃ)を準備し、これに有機バインダとしてのフェノール樹脂粉末（ＤＩＣ株式会社製のＯＩ−３０５Ａ）を１２質量％添加した。そして、これを成形型に充填して熱プレス成形を行った。ＳｉＣ充填率が９６体積％のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得た。これにより、一辺１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形板形状の多孔質成形体を作製した。
【００５４】
そして、この多孔質成形体を金属Ｓｉ（日本電工株式会社製）とともに炉内に設置し、真空雰囲気で１２００℃に加熱した状態を１２時間保持することにより、フェノール樹脂を脱脂して炭化させた。その後、炉内を１６４５℃に加熱した状態を２２時間保持することにより、溶融ＳｉをＳｉＣ多孔質焼結体に含浸させた。これにより、ＳｉＣ充填率が９６体積％のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体を得た。
【００５５】
そして、実施例１と同様に、このＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体から試験片を作製し、試験片の接合を試みた。しかし、全く接合していなかった。なお、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料体（母材）の四点曲げ強度は２５０ＭＰａであった。
【００５６】
〔比較例２，３〕
比較例２，３として、２枚の試験片の接合面の表面粗さＲａをともにそれぞれ０．１２μｍ、０．１８μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして試験片の接合を試みた。しかし、接合部の四点曲げ強度はそれぞれ９０ＭＰａ、４０ＭＰａであり、接合は不十分であった。
【００５７】
〔比較例４，５〕
比較例４，５として、接合時の加熱温度をそれぞれ９００℃、９８０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして試験片の接合を試みた。しかし、比較例４，５では全く接合していなかった。
【００５８】
〔比較例６〕
比較例６として、接合時の加熱温度を１４５０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして試験片の接合を試みた。しかし、試験片から金属Ｓｉが溶出した。また、接合部の四点曲げ強度は８０ＭＰａであり、接合は不十分であった。
【００５９】
〔比較例７，８〕
比較例７，８として、接合時の加熱加圧保持時間をそれぞれ０．５時間、１５時間としたこと以外は、実施例１と同様にして試験片の接合を試みた。しかし、接合部の四点曲げ強度はそれぞれ９０ＭＰａ、１８０ＭＰａであり、接合は不十分であった。また、比較例８では、接合部に欠陥が発生した。これは、長時間加熱したことにより、Ｓｉが蒸発したためであると考えられる。
【００６０】
〔比較例９，１０〕
比較例９，１０として、接合時の加圧力をそれぞれ０．０１ＭＰａ、１０．５ＭＰａとしたこと以外は、実施例１と同様にして試験片の接合を試みた。しかし、比較例９では全く接合していなかった。また、比較例１０では、接合部の四点曲げ強度は３００ＭＰａであったが、基材にクラックが発生した。
【００６１】
【表１】
2013075799.tif 000003
【図１】
2013075799.tif 000004