JPH02145485A - セラミックス材料とモリブデン金属との接合方法 - Google Patents

セラミックス材料とモリブデン金属との接合方法

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JPH02145485A
JPH02145485A JP29883588A JP29883588A JPH02145485A JP H02145485 A JPH02145485 A JP H02145485A JP 29883588 A JP29883588 A JP 29883588A JP 29883588 A JP29883588 A JP 29883588A JP H02145485 A JPH02145485 A JP H02145485A
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JP
Japan
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ceramic material
titanium
bonding
metallized
molybdenum metal
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Application number
JP29883588A
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English (en)
Inventor
Yoshinao Kato
加藤 由尚
Norio Sugiyama
杉山 範雄
Yasuhisa Aono
泰久 青野
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Nissin Electric Co Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
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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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、たとえば核融合炉の第1壁材料などとして
有望視されている窒化アルミニウムなどのセラミックス
材料とモリブデン金属との接合構造物の製造などに好適
に実施されるセラミックス材料とモリブデン金属との接
合方法に関するものである。
〔従来の技術〕
窒化アルミニウム(以下rAfiNJという。)セラミ
ックス材料は、軽元素材料であり、また高エネルギー中
性子(14MeV)に照射されても放射化しにくく、高
熱伝導性(100〜200 w/mk)および低熱膨張
率(5,6x 10−’/ ’c)を有し、さらに耐熱
性(2000°C)にも優れているため、高熱負荷に耐
える材料として有望視されており、特に核融合炉の第1
壁材料への応用が期待されている。しかしAfiNセラ
ミックス材料を前記核融合炉の第1壁などのような大型
構造物として加工することは極めて困難であり、加工す
ることができたとしても作成された構造物は信頼性に乏
しいものとなる。このため、AI!、Nセラミックス材
料に他の金属材料を接合してこの金属材料でAffiN
セラミックス材料を支持し、プラズマに晒される第1壁
のみをAffiNセラミックス材料とすることが考えら
れる。この場合において、信軌性の高い第1壁を得るた
めには、AI!、Nセラミックス材料と前記他の金属材
料との接合技術が極めて重要である。核融合炉では第1
壁付近の温度は、通常の運転時においては400〜60
0°Cであるが、プラズマが不安定なときには数100
0°C程度にイオン加熱される場合がある。このため前
記第1壁には1000〜1200°Cの温度に対応し得
る耐熱性が要求される。したがって前記AfiNセラミ
ックス材料に接合される金属材料は、耐熱性に優れ、か
つAP、Nセラミックスに熱膨張率が近似しているもの
が適当であり、このような金属材料としてモリブデン(
以下「MO」という。)金属がある。
このMo金属と/INセラミックス材料との接合は、従
来では、活性金属(Ti、Zr、Hf。
Cr、Vなど)をろう材の母材成分(Ni、Ptなど)
中に合金化し、AfNセラミックス材料に対するMo金
属材料の濡れ性を向上するようにして行われる。この方
法は次の2つの方法に大別される。
■ 液相接合法: AffiNセラミックス材料とMo
金属材料とをTi−Niろう材を用いて、このろう材の
融点以上に加熱して接合する方法。
■ 固相接合法:AIINセラミックス材料とMo金属
材料との間にTi箔を挟み、加熱加圧接合する方法で、
1250°C以上に加熱することによってAINセラミ
ックス材料表面をTiでメタライズし、Moと接合する
ことができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが上記■の接合方法では、ろう材は850°Cの
温度に耐える程度の耐熱性を有しているにすぎず、した
がってAffiNセラミックス材料とM。
金属材料との接合物の耐熱性はこのろう材の耐熱性に制
限されてしまう、しかも前述のように核融合炉の第1壁
には1000〜1200°C程度の高温に対応し得る耐
熱性が要求されるので、この方法によって作成された前
記接合物は必要とされる条件を満たすことができない。
またNiは高放射化材料であるので、前記第1壁への応
用には適さない。
また上記■の接合方法では、AfNセラミックス材料表
面のメタライズのために、1250°C以上に加熱する
ことが必要であるが、Mo金属は1200°C以上に加
熱すると再結晶化して脆化してしまい強度が問題となる
。1200°C以下の加熱では、ANNセラミックス材
料表面のメタライズが良好に行われずこの結果AI!、
Nセラミックス材料とMo金属材料との間の所望の密着
強度を得ることができない。
この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、接合物
の強度および耐熱性が向上され、界面での高い密着強度
を得ることができるセラミックス材料とモリブデン金属
との接合方法を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
この発明のセラミックス材料とモリブデン金属との接合
方法を第1図および第2図に基づいて説明する。
セラミックス材料としてたとえば窒化アルミニウム(以
下rAfNJという。)セラミックス材料が選ばれ、こ
のAINセラミックス材料とモリブデン(以下「MO」
という。)金属材料との接合が行われる。その接合方法
は大略的に2つのプロセスを含んで構成されている。第
1のプロセスは、AI!、Nセラミックス材料表面をチ
タン(以下rTi Jという。)金属化するプロセスで
あって、AINセラミックス材料表面に対してTi蒸着
と窒素(以下rN、1という。)イオン照射(AI!、
Nセラミックス材料に照射されるイオンとしては、この
Nイオンが適当である。)とを併用するいわゆるI V
 D (Ion Vapor Deposition)
法が用いられる。この方法でTi金属化されたAffN
セラミックス材料のチタン金属化表面に必要に応じてT
iが堆積され、そのようにして1〜数μmのTi堆積層
が形成される。さらに必要に応じてMo金属材料の接合
面にも1〜数μmのTi堆積層が形成される。
第2のプロセスは、表面をTi金属化した前記セラミッ
クス材料と、前記Mo金属材料とを、真空中で加熱・加
圧接合するプロセスである。
(a)  第1のプロセス Ti金属化すべきAfNセラミックス材料表面には、ダ
イヤモンドペーストによる鏡面研磨の後、溶剤洗浄、化
学エツチング、水洗洗浄の一連の前処理が施される。こ
のAI!、Nセラミックス材料表面に、第1図に示す薄
膜形成装置によってTi金属化が施される。表面に前述
の前処理が施されたAffNセラミックス材料1は、真
空チャンバ2内に設けた回転式試料ホルダ3に支持され
る。この回転式試料ホルダ3に対向して、真空チャンバ
2の下方にはパケット型イオン源4が備えられ、また中
間には電子ビーム加熱式蒸発源5が備えられている。前
記パケット型イオン源4は、ガス導入口6からの窒素ガ
スをフィラメント7およびプラズマ電極8を設けたアー
クチャンバ9内でアーク放電により電離させてプラズマ
を生成させ、このプラズマから抑制電極1oおよび引出
電極11などによって上方側に向かって窒素イオンを加
速して引き出すようにしたものである。また図において
、12はAffiNセラミックス材料1表面に形成され
た薄膜の膜厚を測定する膜厚モニタであり、13はNイ
オンの輸送量を監視するためのイオン電流モニタである
A42Nセラミックス材料1表面には、イオン源4から
のNイオンと、蒸発源5がらの蒸気化したTiとが飛来
し、そのようにしてTi蒸着とNイオン照射とが同時に
行われる。このTi蒸着とNイオン照射とは、交互に行
うようにしてもよい。
加速されたNイオンとともに蒸気化したTiはAINセ
ラミックス材料1表面に押し込まれ、このようにしてA
42Nセラミックス材料1表面ではAINとTiとの混
合層が形成され、/INセラミックス材料1表面がTi
金属化される。このTi金属化の後には、Nイオンの照
射を停止L7Ti蒸着のみが行われ、そのようにして前
記Ti金属化表面にTi堆積層が形成される。
前記Ti金属化が行われるときには、真空チャンバ2内
の真空度は2 X 10−6Torr程度とされ、Nイ
オンの加速エネルギーは10eV〜25KeVとされる
。この加速エネルギーの下限はイオン源4からのNイオ
ンの引出限界値であり、上限は主として装置のコストな
どの観点から定められた値である。Nイオンの電荷は正
でも負でもよく、また両者の混合であってもよく、さら
にANNセラミックス材料表面に同時に電子線が照射さ
れてもよいが、この例ではイオン源4がらは正のイオン
を主体とするイオンビームが引き出される。また、Nイ
オンの照射量は、lXl0” 〜lXl0”/ ca(
D範囲とされる。この下限はNイオンがAINセラミッ
クス材料1との界面に単原子層を形成する条件であり、
上限はN原子がAINセラミックス材料1内に過剰に存
在して集合し、キャビティーを形成する限界濃度により
定められる値である。
蒸発源5から任意の速度で蒸発したTiは、10eV〜
25KeVで加速されたNイオンにAfiNセラミック
ス材料1表面近傍で混合される。
この際にTi原子はNイオンによりスパッタされ、また
はAffiNセラミックス材料1内に押し込まれる。こ
のようにして前記AffiNセラミックス材料1表面に
AfNとTiとの混合層が形成されていく。この混合層
の厚さはたとえばNイオンがTi金属蒸着層を通過して
AINセラミックス材料1内に到達する範囲に留められ
、この後にTi蒸着によって厚さ1〜数1tmのTi堆
積層が形成される。このTi堆積層の厚さは、A/!N
セラミックス材料1とMo金属材料接合面の表面粗さの
合計以上とする。
AffNセラミックス材料1表面に前記混合層を形成し
た後にもNイオン照射とTi蒸着とを同時にまたは交互
に行う(すなわち併用する)ようにしてTiメタライズ
層を成長させるようにしてもよいが、終始Nイオンの照
射を行うと、このNイオンにより前記混合層上にさらに
堆積されるTiとNとの混合物層がスパッタ作用を受け
、成長が阻害されるとともに、この混合物層と前記混合
層とを含んで構成されるメタライズ層の強度劣化を招く
恐れがある。
(b)  第2のプロセス 第2図は前記AI!、Nセラミックス材料1のTi金属
化表面に、Mo金属材料を加熱・加圧接合するための真
空ホットプレス装置の内部の構成を示す断面図である。
接合面に1〜数μmのTi堆積層を蒸着法によって形成
したMo金属材料21を前記Ti金属化が施された一対
のAI!、Nセラミックス材料1の前記Ti金属化表面
間に挟み、真空槽22内に配置したセラミックス荷台2
3上に設置する。
前記セラミックス荷台23にはMoロッド24が連結さ
れており、セラミックス荷台23とは反対側のAfNセ
ラミックス材料1は、Moロッド25に連結された加圧
部材26に当接している。
Moロッド25は、クロスヘツド27に設けたロードセ
ル28に連結されている。
真空槽22内には、前記一対のAlNセラミックス材料
1とMo金属材料21とを加熱するタングステン電熱ヒ
ータ29(以下「ヒータ29Jという。)、および真空
槽22内部の温度を測定する熱電対30が設けられ、こ
の熱電対30から得られる内部の温度情報に基づいて前
記ヒータ29に電力を供給する電力コントローラ(図示
せず)の出力電力が制御される。
前記一対の/INセラミックス材料lとMo金属材料2
1との接合に当たっては、真空槽22内が油拡散ポンプ
(図示せず)などによって高真空(I X 10−’〜
10−6Torr)に排気され、ヒータ29が通電され
て、試料(一対のAlNセラミックス材料1間にMo金
属材料21を挟んだもの)が加熱される。そしてこの試
料の温度が1200°Cに昇温されたところで、この温
度を維持しつつ、前記一対のMoロッド24,25に万
能試験機(図示せず)より圧縮力がかけられ、そのよう
にしてAI!、Nセラミックス材料1とMo金属材料2
1との界面に7MPaの圧縮荷重が加えられる。この加
熱・加圧状態で、Al2Nセラミックス材料1に形成し
たTi堆積層とMo金属材料21表面に形成したTi堆
積層との接合反応が進行する。前記加熱・加圧状態は、
たとえば約2時間にわたって保持される。
このようにして、高温での接合処理の終了の後には、試
料は熱歪みや残留応力を残さないように徐冷される。異
種材料の接合で通常問題となるのは、熱膨張率の差に起
因する熱歪みおよび残留応力である。特に高温で接合が
行われた場合には、試料を室温にまで冷却したときに、
温度差が大きいためにこのような影響が顕著となる。し
かしながらAfNセラミックスとMo金属とは、熱膨張
率がそれぞれ Al2Nセラミックス・・・5.6 x 10−6/’
CMo金属     ・・・5. Ox 10−”/”
cであり、極めて接近しており、また熱膨張特性も極め
て類催しているため、冷却時に歪みや残留応力が生じる
恐れがない。このため、界面での結合状態を直接反映し
た密着強度が得られる。
前記接合時の上述の温度1200 ’CはTi−Tiの
固相接合温度(1000°C)とMo金属材料21が再
結晶化して脆化する温度(1250°C)とを考慮して
定めたもので、i o o o ’cが下限、1250
°Cが上限である。また、接合時の上述の圧縮圧カフM
Paは、Tiの前記接合時の温度(1200°C)にお
ける軟化応力と、前記真空ホットプレス装置での使用圧
力の上限値とを考慮して定めた値である。また、AlN
セラミックス材料1のチタン金属化表面に形成されるT
i堆積層の層厚と、Mo金属材料21表面に形成される
Ti堆積層の層厚との合計は、A42Nセラミツクス材
料1とMo金属材料21の表面粗さの合計が下限とされ
、Ti箔に圧延することができる厚さ(約10μm)が
上限とされる。
〔作用〕
以上のようにこの発明では、上記第1のプロセスでは、
IVD法によりANNセラミックス材料1表面がTi金
属化され、このTi金属化された。6/2Nセラミック
ス材料1表面に、Tiが蒸着により堆積されてTi堆積
層が形成される。前記Ti金属化されるAINセラミッ
クス材料1表面では、Tiの蒸着とともに/INセラミ
ックス材料1表面に照射されるNイオンの働きによって
AINとTiとの混合層が形成され、この混合層はAρ
Nセラミックス材料1表面に対して強固に密着している
。このようにしてTi金属化されたAfiNセラミック
ス材料1表面にはTi堆積層を強固に密着させることが
できる。
そして上記第2のプロセスでは、前記ANNセラミック
ス材料1と表面にTi堆積層を形成したMo金属材料2
1とが真空ホットプレス装置によって加熱・加圧接合さ
れる。このとき両者の接合はTi−Tiの接合によって
達成されるので、この界面の密着強度は極めて高くなる
。このようにして、AffiNセラミックス材料1とM
o金属材料21とが強固に密着することになる。
従来の固相接合法では、接合時における接合面の汚れや
、高温に加熱された状態では10−S〜1O−6Tor
rの真空度の雰囲気中においても進行するTi箔表面の
酸化汚染やAlNセラミックス材料表面の汚染酸化など
が、密着強度の低下の要因となっている。これに対し、
この発明では、AfiNセラミックス材料表面を予めT
i金属化しているので、このA42Nセラミツクス材料
とMo金属材料との加熱加圧接合時においてAfiNセ
ラミックス材料の接合対象面の酸化が進行することはな
い。しかもTiは様々なガス(大気、H2Oなど)を拡
散吸収する性質があり、このためTi−TiおよびTi
−Moなどの接合は高真空度に保った高温の雰囲気中で
良好に行われることが知られており、この発明ではAl
N−Mo接合をTi−Ti接合またはTi−Mo接合に
置換することにより良好な密着強度を得ることに成功し
ているといえる。
また、前記Ti金属化は、高真空度に保った低温の雰囲
気中で行われるので、このTi金属化の際にAlNセラ
ミックス材料表面の酸化が進行することはない。
前述の例ではTi堆積層が/INセラミックス材料表面
とMo金属材料の接合面とのいずれにも形成されるよう
にしたが、このTi堆積層はAI!。
Nセラミックス材料とMo金属材料との少なくともいず
れか一方に形成されればよく、全層厚がセラミックス材
料の表面粗さとMo金属材料の表面粗さとの和以上であ
って、厚さの上限は箔に圧延することができる厚さとさ
れればよい。
また、上述の例では、セラミックス材料としてAP、N
セラミックス材料を例に採って説明したが、セラミック
ス材料はたとえば5tsNnセラミツクスや、SiCセ
ラミックスなどであってもよい。
〔実施例〕 本件発明者は以下に示す条件で作成され、AINセラミ
ックス材料(20(幅)X17(長さ)X16(厚さ)
閣)とMo金属材料(20X17X2mm)とを接合し
て作成した前述の試料と、従来の固相接合法によるAn
Nセラミックス材料とMo金属材料との接合をおこなっ
た同様な試料との密着強度の比較を行っている。
(試料の作成条件) ■Ti金属化前のAlNセラミックス材料表面の前処理 研磨:ダイヤモンドペースト 6,3.1 μmエツチ
ング:第1液−HF、 )HNO3,Htoの1:1:
1の混合溶液 第2液・・・1(Cl3とHNO3との1:1の混合溶
液 洗浄:水、アルコール、またはアセトン中で15分間、
超音波による洗浄 ■Ti金属化処理 堆積膜の膜厚(Ti+N” )  : 900人Ti堆
積層の層厚:1μmまたは4.4μmNイオンの照射条
件 ■接合処理 加熱温度: 圧カニ 1200°C MPa 保持時間: 120m1n 真空度: 1 X 10−’Torr 密着強度は、作成した試料を2(幅)X30(長さ)×
3(厚さ)rrtrlの大きさに切り出して、JIS−
R1601rフアインセラミツクスの曲げ強さ試験方法
」に準じた4点曲げ試験(上部スパン9薗、下部スパン
27mm、 クロスヘツドスピード0、5 nu/mi
n、温度200〜1100°C)により評価した。この
際に従来の固相接合法に従って作成された試料は、切り
出す際に破断してしまい、試験を行うことができなかっ
た。この実施例に従って作成された試料の前記4点曲げ
試験の結果は第3図に示されている。この第3図から、
前記試料はAINセラミックス母材強度(40MPa)
の約1/4の密着強度を示し、800°C(1073K
)程度まで安定に接合されていることが判る。
すなわち充分な耐熱性を有している。なお、第3図にお
いてシンボル“O゛は/INセラミックス材料表面およ
びMo金属材料表面に形成したTi堆積層の層厚を1μ
mとしたときの測定結果であり、シンボル°“Δ°゛は
前記層厚を4.4μmとしたときの測定結果である。
〔発明の効果〕
請求項(1)のセラミックス材料とモリブデン金属との
接合方法によれば、セラミックス材料表面に照射される
窒素イオンの働きによってセラミックス材料表面では蒸
着されるチタンとセラミックス材料との混合層が形成さ
れて、このセラミックス材料表面がチタン金属化される
前記チタン金属化表面にモリブデン金属材料の接合面を
接触させて加熱加圧することにより、セ、ラミックス材
料とモリブデン金属とを強固に接合させることができる
。すなわち前記混合層はセラミックス材料表面に強固に
密着し、また、前記チタン金属化表面とモリブデン金属
材料との接合は強固にすることができるので、結果とし
てセラミックス材料とモリブデン金属材料との密着強度
が極めて高くなる。
前記チタン金属化は照射面全体にわたって均一に達成さ
れる。これはイオンによるスパッタクリーニングと混合
層の形成の効果であって、従来のTi箔を挟み込んで加
熱加圧接合する方法では、接合対象面に汚染や未結合部
の残留のために(あるいは前記汚染が生じている部分や
前記未結合部の面積の方が、良好に結合された部分の面
積よりも多いために)、全体としては極めて低い接合強
度となってしまう。
モリブデン金属材料と前記チタン金属化表面との間の接
合は、1200°C以下の温度(すなわちモリブデン金
属が脆化しない温度)で達成することができ、したがっ
て前記セラミックス材料とモリブデン金属とが接合され
てできた接合物は充分な強度を有することができる。ま
た、チタンは充分な耐熱性を有しているので、前記接合
物は充分な耐熱性を有することができる。
請求項(2)のセラミックス材料とモリブデン金属との
接合方法では、前記チタン金属化表面または前記モリブ
デン金属材料の接合面にチタンが堆積され、前記セラミ
ックス材料および前記接合面の各表面粗さの合計に相当
する厚さ以上であって、箔に圧延することができ、る厚
さまでのチタン堆積層が形成される。これによってこの
チタン堆積層でセラミックス材料およびモリブデン金属
材料の接合面の表面粗さが吸収されるので、セラミック
ス材料とモリブデン金属材料との密着強度をさらに向上
することができる。
また加熱加圧時において、接合を行うための装置内の真
空度が多少悪化して不純物ガスによる汚染酸化などが生
じても、前記チタン堆積層中に前記不純物ガスなどを吸
収させて接合反応を良好に進行させることができるので
、接合の工程の管理が容易になる。
【図面の簡単な説明】
第1図はセラミックス材料表面をチタン金属化するため
の基本的な構成を示す概念図、第2図はセラミックス材
料とモリブデン金属材料とを加熱加圧接合するための基
本的な構成を示す断面図、第3図はこの発明の一実施例
に従ってセラミックス材料とモリブデン金属材料とを接
合した試料に対する4点曲げ試験の結果を示すグラフで
ある。 1・・・AffiNセラミックス材料、4・・・イオン
源、5・・・蒸発源、21・・・モリブデン金属材料第 図 第 図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)チタン蒸着と窒素イオン照射とを併用してセラミ
    ックス材料表面をチタン金属化し、 このチタン金属化表面にモリブデン金属材料の接合面を
    接触させて加熱加圧することを特徴とするセラミックス
    材料とモリブデン金属との接合方法。
  2. (2)チタン蒸着と窒素イオン照射とを併用してセラミ
    ックス材料表面をチタン金属化し、 このチタン金属化表面およびモリブデン金属材料の接合
    面の少なくともいずれか一方にチタンを堆積させて、前
    記セラミックス材料および前記接合面の各表面粗さの合
    計に相当する厚さ以上であって、箔に圧延することがで
    きる厚さまでのチタン堆積層を形成し、 このチタン堆積層を介在させて前記チタン金属化表面に
    前記モリブデン金属材料の接合面を当接させて加熱加圧
    することを特徴とするセラミックス材料とモリブデン金
    属との接合方法。
JP29883588A 1988-11-25 1988-11-25 セラミックス材料とモリブデン金属との接合方法 Pending JPH02145485A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05117842A (ja) * 1991-10-25 1993-05-14 Ulvac Japan Ltd 金属とセラミツクスの接合法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05117842A (ja) * 1991-10-25 1993-05-14 Ulvac Japan Ltd 金属とセラミツクスの接合法

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