JPH0240027B2 - Hisankabutsuseramitsukusuyosetsuchakuzaishiitooyobihisankabutsuseramitsukusunosetsuchakuhoho - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、シート状の非酸化物セラミツクス用
接着剤及び非酸化物セラミツクスの接着方法に関
する。

従来技術とその問題点 窒化ケイ素や炭化ケイ素などの非酸化物セラミ
ツクスは、金属に比べて高温強度、耐食性、耐摩
耗性等に優れているので、高温用部材として脚光
を浴びており、ガスタービン、自動車エンジン、
熱交換器等への応用開発が進められている。

上記の如き各種用途において、非酸化物セラミ
ツクスにその優れた機能を十分に発揮させるため
には、製造工程で、これ等非酸化物セラミツクス
相互を接着させることが必要となつてくる。特に
非酸化物セラミツクス成形体は、複雑な形状に成
形及び加工することが困難なので、単純な形状の
部材から複雑な形状に組み立てる必要があり、非
酸化物セラミツクス部材相互の接着技術の開発が
不可欠である。

しかしながら、非酸化物セラミツクスは、一般
に溶融物に対する親和性、いわゆる濡れ性が極め
て悪く、しかもアルミナ、マグネシア等の酸化物
系セラミツクスとは異なり、共有結合性が強く、
また各種物質に対する反応性も非常に低いため
に、その接着は極めて困難である。

従来、非酸化物セラミツクスの接着には、接着
剤を被接着部材間に介在させるか、あるいは何も
介在させることなく、高温高圧下でホツトプレス
する方法がとられていた。しかしながら、ホツト
プレス法では、高温及び高圧を必要とするので、
複雑なあるいは大型の部材の接着は極めて困難で
ある。また、最近脚光を浴びている熱間等方加圧
法いわゆるHIP法にも、同様な問題点が存在す
る。

したがつて、大型で複雑な形状の部材を組立て
るには、圧力を要せず、加熱するだけで容易に接
着できる接着剤の開発が望まれている。従来、非
酸化物セラミツクス用接着剤としては、−Ａ族
酸化物単独、アルミナ−シリカ−アルカリ土類金
属酸化物系、フツ化カルシウム−カオリン系、あ
るいはこれに希土類酸化物を少量添加したもの等
が使用されている。しかしながら、これらは、各
れも酸化物系ガラスによる接着剤であり、非酸化
物セラミツクスとの熱膨脹係数の違いなどによ
り、一般に接着強度が低く、非酸化物セラミツク
ス成形体の優れた特性を十分に生かすにはいたつ
ていない。

本発明者等は、この様な現状に鑑みて、種々研
究を重ねた結果、窒化ケイ素、酸化マグネシウム
及び２種以上の希土類酸化物を有効成分とする非
酸化物セラミツクス用接着剤を完成した（特願昭
59−82712号）。この接着剤は、市販されている非
酸化物セラミツクスの常圧焼結品の強度（例え
ば、窒化ケイ素で約53Kg／mm²、炭化ケイ素で約50
Kg／mm²）に近い接着強度を示し、しかも強度を約
900℃まで維持するという優れた性能を有してい
る。しかしながら、この接着剤は、粉末状、ペレ
ツト状又はペースト状であるので、これを湾曲面
や凹凸部分等の複雑な形状の部材の接合に用いる
場合には、作業時に所定の接着部位に所望の厚さ
に且つ均一に付与することは、極めて困難であ
る。従つて、作業性の改善及び接着特性のばらつ
き防止の観点から改善の余地が残されている。

問題点を解決するための手段 本発明者は、特願昭59−82712号に示された非
酸化物セラミツクス用接着剤の優れた特性を更に
一層改善すべく引続き研究を重ねた結果、接着剤
にバインダー成分を加え、これをシート状に成形
する場合には、接合すべき部材の形状の如何にか
かわらず、任意の接着部位に所望の厚さの接着剤
を均一に且つ容易に付与することが出来、その結
果、接着特性のばらつきも抑制されることを見出
した。即ち、本発明は、窒化ケイ素、酸化マグネ
シウム及び２種以上の希土類酸化物を有効成分と
する接着剤成分とバインダーとを均一に混合、成
形してなる非酸化物セラミツクス用接着剤シート
を提供する。

本発明は、更に、窒化ケイ素、酸化マグネシウ
ム及び２種以上の希土類酸化物を有効成分とする
接着剤成分とバインダーとを均一に混合、成形し
てなるシートを非酸化物セラミツクス相互間に介
在させ、非酸化性雰囲気下1400〜1800℃の温度で
加熱することを特徴とする非酸化物セラミツクス
の接着方法をも提供する。

本発明の接着剤が適用される非酸化物セラミツ
クスは、材質的には、例えば、窒化ケイ素、炭化
ケイ素、サイアロン、窒化アルミニウム等であ
り、ホツトプレス、常圧焼結、あるいは反応焼結
等のいずれの方法で得られるものであつてもよ
く、特にその形状や大きさに限定はなく、しかも
接着すべき部材は同一形状でも異形状でもよい。

本発明接着剤シートにおいて有効成分である窒
化ケイ素としては、市販のものをいずれも使用で
き、特にその製法、粒度、純度等は限定されな
い。また、粉末状態のものだけでなく、ウイスカ
ー状態のものも用いることができる。接着強度を
高めるためには、純度の高いものの方が望まし
い。

また、酸化マグネシウムとしては、通常市販さ
れているものをいずれも使用でき、その純度及び
粒度は、特に限定されないが、接着強度を高める
ためには、できるだけ高純度で粒度の小さいもの
が望ましい。

また、本発明の接着剤シートのもう一つの有効
成分である希土類酸化物としては、２種以上の希
土類酸化物を用いることが必要である。希土類酸
化物を１種だけ用いる場合には、非酸化物セラミ
ツクスに対する十分な濡れ性が得られないため
に、満足のいく接着強度を得ることができない。
希土類酸化物の組み合せとしては、特に限定され
ないが、酸化イツトリウムと酸化ランタンの組み
合せが最適である。使用する希土類酸化物の純度
及び粒度は特に限定されないが、接着強度を高め
るには、できるだけ高純度で、粒度の小さいもの
が望ましい。

本発明の接着剤の有効成分のうち、窒化ケイ素
と希土類酸化物との配合割合は、窒化ケイ素と希
土類酸化物の合計を100mol％とした場合に、窒
化ケイ素を35〜65mol％とし、希土類酸化物のう
ちの１種を酸化イツトリウムとして、これの含有
量を10〜35mol％とし、残部を少なくとも１種の
他の希土類酸化物とすることが好ましい。特に、
窒化ケイ素を40〜55mol％、酸化イツトリウムを
15〜30mol％、残部を他の希土類酸化物の少なく
とも１種とした場合に、非常に強い接着強度が得
られる。

また、酸化マグネシウムの添加量は、上記の窒
化ケイ素と希土類酸化物の混合物に対して外掛け
で10〜80wt％添加するのが最適である。10wt％
未満及び80wt％を超える場合には該接着剤の非
酸化物セラミツクスに対する濡れが十分でなく、
満足すべき接着作用は得られない。

本発明において有効な組成範囲を上記範囲とし
た理由は、この範囲内であれば接着剤の有効成分
が溶融して、良好な濡れが得られるとともに、窒
化ケイ素を適量含むので、該接着剤の熱膨脹係数
が被接着体の非酸化物セラミツクス成形体の熱膨
脹係数に近くなり、接着後の接着剤層内の残留ひ
ずみがほとんどないためである。

本発明において、窒化ケイ素、酸化マグネシウ
ム及び２種以上の希土類酸化物を有効成分とする
接着剤成分をシート状に成形するために使用する
バインダーとしては、接着操作温度にいたる昇温
過程でのガス発生量が少なく、且つ分解後に接着
を阻害する残渣を生じないエラストマーが好適で
ある。この様なエラストマーとしては、エチレン
−プロピレン共重合体、エチレン−プロピレン−
ジエンタ−ポリマー、ポリイソブチレン、ポリイ
ソプレン、スチレン−ブタジエン共重合体などの
合成ゴム類、天然ゴム類或いはエチレン−酢酸ビ
ニル共重合体などの合成樹脂等が例示され、これ
等の１種又は２種以上を使用する。バインダーの
分子量は特に限定されないが、良好なシート成形
性を保持する為には、平均分子量５万〜100万程
度とすることが好ましい。これ等のエラストマー
には、必要に応じ、接着性改善の目的でアルキル
フエノール系、クマロン−インデン系、ポリテル
ペン系、ロジン系、石油系、ポリビニルエーテル
系等の樹脂の１種又は２種以上を併用しても良
く、更に軟化剤としてキシレン系樹脂、パラフイ
ンワツクス、プロセスオイル、アビエチルアルコ
ール等を配合しても良い。

尚、上記エラストマー或いはエラストマーと他
の併用成分からなるバインダーは、複雑な形状の
部材接着時に接着剤シートが折り曲げ或いは湾曲
によりクラツクを生じない様に、25℃で0.1〜50
Kg／mm²程度、より好ましくは0.5〜40Kg／mm²程度
の弾性率を有するものを選択することが望まし
い。ここに、弾性率とは、温度25℃において試料
をチヤツク間距離50mmで300mm／minの速度で引
き伸ばした場合の下式で示される接線モジユラス
を意味するものとする。

弾性率＝Ｆ／Ｓ 但し、 Ｆ：試料を100％伸ばした点と接線との交点の力
（Kg／mm²） Ｓ：試料の断面積（mm²） 接着剤成分に対するバインダーの配合割合は、
加熱接着時のガス発生や分解残渣による接着特性
への影響を出来るだけ少なくしつつも同時に良好
なシート成形性及び柔軟な接着剤シート（弾性率
0.3〜45Kg／mm²、曲率半径10mm以下）を得るため
に、前者100重量部に対し後者３〜50重量部程度、
より好ましくは５〜25重量部程度とすることが望
ましい。更に、バインダーの配合割合は、接着剤
成分の粒径（ウイスカーを使用する場合には、そ
の径及び長さ）をも考慮して定めることが好まし
い。一般に、接着剤成分の粒径が大きくなれば、
バインダーの配合量を減少することが可能となる
が、その反面接着剤の濡れ性が低下する。従つ
て、接着特性及び成形性に優れた接着剤シートを
得る為には、接着剤成分の平均粒径１〜10μｍ程
度のとき、接着剤成分100重量部に対するバイン
ダー配合量を10〜20重量部とするのが最適であ
る。

本発明接着剤シートは、種々の方法により製造
可能である。例えば、バインダーをアセトン、ト
ルエン、メチルエチルケトン等の有機溶剤に溶解
した後、接着剤成分を加え、均一に混練する。次
いで、混練物を離型紙を被せた型枠上に流し込
み、溶剤を蒸発させた後、成形物を圧延ロールに
通してシート状又はフイルム状、或いはその他の
形状に成形する。成形は、押し出し、プレス圧
延、ドクターブレート法等の他の任意の方法によ
つても行ない得ることは、言うまでもない。

本発明の接着剤シートを使用して非酸化物セラ
ミツクスの接着を行なうには、非酸化物セラミツ
クス部材の被接着面間に所定形状に切断若しくは
加工した接着剤シートを介在させた状態で、部材
の加熱を行なう。接着剤シートの厚さは、接着剤
成分の組成、加熱条件、部材の形状等に応じて適
宜決定されるが、通常接着剤成分の付与量が、接
着面積１cm²当り0.01〜１ｇ程度、より好ましくは
0.05〜0.3ｇ程度となる様にすれば良い。

本発明の接着方法において、接着剤シートを非
酸化物セラミツクス成形体部材間に介在させて加
熱処理する温度は、1400〜1800℃の範囲とする。
加熱温度が、1400℃未満では、接着剤成分が溶融
しないため接着作用が発揮されず、一方、1800℃
を超える場合には、被接着体である非酸化物セラ
ミツクス成形体部材の変形或いは変質が生じた
り、また接着剤有効成分の蒸発も進み、更に、熱
効率の面からも好ましくない。

熱処理雰囲気としては、真空、不活性ガス、窒
素ガス等の非酸化性雰囲気が使用され、なかでも
真空中あるいは窒素雰囲気下で加熱処理すること
が望ましい。

作 用 本発明の接着剤シートを用いることにより、卓
越した接着効果が発揮される理由は、現在なお明
確ではないが、以下の如く推定される。

即ち、本発明の接着剤シートの接着剤成分は、
および1400〜1800℃の融点を有するので、接着剤
シートを介在させた非酸化物セラミツクス成形体
部材を1400℃以上に加熱すると、接着剤成分が溶
融して非酸化物セラミツクス成形体部材表面を十
分に濡らすことができ、また非酸化物セラミツク
ス成形体部との間で何らかの反応が起こり、非酸
化物セラミツクス成形体部材相互を強固に接着す
るものと考えられる。接着剤有効成分が、酸化マ
グネシウムと２種以上の希土類酸化物との組み合
せの場合には、同様な機構により、一応接着は可
能ではあるが、充分な強度は得られない。このこ
とから、接着剤有効成分として窒化ケイ素を含む
ことにより、接着剤の熱膨脹係数が非酸化物セラ
ミツクス成形体部材の熱膨脹係数に近くなり、そ
の結果、接着後の接着層内の残留ひずみが小さ
く、高い接着強度が得られるものと考えられる。

発明の効果 本発明によれば、従来方法では接着困難であつ
た大型、複雑、異形の非酸化物セラミツクス部材
相互を容易に、しかも強力に接着できる。また、
接着後形成される接着層が化学的に安定であり、
900℃まで充分な耐熱性を有する。更に、本発明
の接着剤シートは、0.05〜５mm適度まで均一な厚
さで圧延可能なので、加熱処理に形成される接着
厚さも一定となり、接着特性のばらつきも少な
い。更にまた、本発明の接着剤シートは、切断及
び変形が可能なので、形状複雑な部材の接合も可
能となり、作業性を大巾に改善する。従つて、非
酸化物セラミツクスは、その優れた機能を更に一
層発揮できる。

実施例 以下、実施例にもとづき本発明を更に詳細に説
明する。

実施例 １ 窒化ケイ素ウイスカー（径0.5〜2μｍ、長さ50
〜300μｍ）45mol％、酸化イツトリウム27.5mol
％及び酸化ランタン27.5mol％からなる混合粉末
100重量部に酸化マグネシウム30重量部を添加混
合し、接着剤成分とした。次いで該接着剤成分
100重量部に対し、バインダーとしてブチルゴム
（分子量約25万）20重量部及び溶剤としてトルエ
ン30重量部を加えて混合した後、約50℃に加熱し
たロールにてトルエンを気化させながら充分に混
練し、常温でロール圧延し、厚さ100μｍの本発
明の接着剤シートを得た。得られた接着剤シート
は、弾性率3.6Kg／mm²、曲率半径0.5mm以下であつ
た。

この接着剤シートを10×10mm²に切断し、10×10
×15mm³の２個の窒化ケイ素成形体間にはさみ込
み、窒素雰囲気中、1600℃で１時間加熱処理し
た。

得られた接着体試料から３×３×30mm³の角棒
を切り出し、スパン20mm、荷重速度0.5mm／min
の条件下に三点曲げ試験を行なつた結果、32.5
Kg／mm²の強度が得られた。

実施例 ２ 窒化ケイ素粉末（平均粒径15μｍ）45mol％、
酸化イツトリウム27.5mol％及び酸化ランタン
27.5mol％からなる混合粉末100重量部に酸化マ
グネシウム30重量部を添加混合し、接着剤成分と
した。

該接着剤成分100重量部にバインダーとしてア
クリルゴム25重量部及び溶剤としてトルエン30重
量部を加え、実施例１と同様の方法により、厚さ
300μｍ、弾性率2.4Kg／mm²、曲率半径0.5mm以下の
本発明の接着剤シートを得た。

この接着剤シートを所定の大きさに切断し、窒
化ケイ素成形体間にはさみ込み、窒素雰囲気中、
1650℃で１時間加熱処理した。

得られた接着体試料の三点曲げ強度は32.4Kg／
mm²であつた。

実施例 ３ 窒化ケイ素粉末（平均粒径15μｍ）55mol％、
酸化イツトリム22.5mol％及び酸化ランタン
22.5mol％からなる混合粉末100重量部に、酸化
マグネシウム20重量部を添加し、総平均粒径約３
〜7μｍの接着剤有効成分とした。

上記有効成分100重量部にバインダーとしてブ
タジエンゴム15重量部及び溶剤としてトルエン30
重量部を加え、充分に混練した後、50℃で180分
間乾燥し、常温でロール圧延し、厚さ約１mmのシ
ートとし、更に得られたシートをプレスにかけて
厚さ300μｍの本発明の接着剤シートを得た。

上記接着剤シートは、弾性率1.4Kg／mm²、曲率
半径0.5mm以下の値を示した。

この接着剤シートを、10×10mm²に切断し、10×
10×15mm³の炭化ケイ素成形体間にはさみ込み、
アルゴン雰囲気中1700℃で30分間加熱処理した。

得られた接着体試料から、３×３×30mm³の角
棒を切り出し、スパン20mm、荷重速度0.5mm／
minの条件下で三点曲げ試験を行なつたところ、
28.5Kg／mm²の強度が得られた。

実施例 ４ 窒化ケイ素ウイスカー（径0.5〜20μｍ、長さ50
〜300μｍ）55mol％、酸化イツトリウム22.5mol
％及び酸化ランタン22.5mol％の混合粉末100重
量部に、酸化マグネシウム30重量部を添加し、接
着剤有効成分とした。

上記有効成分100重量部に対し、バインダーと
してブチルゴム５重量部及び溶剤としてトルエン
30重量部を加え、充分混練した後、ドクターブレ
ード法により厚さ約50μｍ、曲率半径0.5mm以下の
本発明のフイルム状接着剤組成物を得た。

このフイルム状接着剤も、優れた接着特性を示
した。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化ケイ素、酸化マグネシウム及び２種以上
   の希土類酸化物を有効成分とする接着剤成分とバ
   インダーとを均一に混合、成形してなる非酸化物
   セラミツクス用接着剤シート。 ２ 窒化ケイ素、酸化マグネシウム及び２種以上
   の希土類酸化物を有効成分とする接着剤成分とバ
   インダーとを均一に混合、成形してなるシートを
   非酸化物セラミツクス相互間に介在させ、非酸化
   性雰囲気下1400〜1800℃の温度で加熱することを
   特徴とする非酸化物セラミツクスの接着方法。