JPH042668A - セラミックス複合体の製造方法 - Google Patents

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、金属材料をセラミックス焼結体に内蔵させ
たセラミックス複合体の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

セラミックス焼結体に金属材料を内蔵させた複合体の製
造方法に関しては、次のような各種の技術が知られてい
る。

（１１カーボンペーストを塗布したセラミックスグリー
ンシートを積層し焼成して得られた空隙層を含むセラミ
ックス焼結体の空隙層内に溶融金属を注入して積層アク
チュエータを製造する方法（特開昭６２−２１１９７５
号公報）。

（２）カーボンペーストを印刷したセラミックスグリー
ンシートと通常のグリーンシートとを交互に積層し焼成
して得られた多孔質のセラミックス焼結体の多孔部に金
属メツキを施して導電性を付与して圧電セラミックス体
を製造する方法（特開昭６２−２７７７８０号公報）。

（３）セラミックスグリーン上に導電性ペーストや有機
金属化合物からなるペーストパターンをスクリーン印刷
法で形成し、これを積層して同時焼成することにより導
電性金属材料を内蔵するセラミックス複合体を製造する
方法（特開昭６０−５４８６５号公報、特開昭６３−４
７１３７号公報）。

（４）導電ペースト以外の一般の金属材料をセラミツク
スゲリーン成形体に埋設した後に焼成してセラミックス
焼結体を製造する方法。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記（１）及び（２）の方法では、カーボンペースト等
により、空隙層や多孔質部を内部に有するセラミックス
焼結体を製造してから、その空隙層や多孔質部に金属材
料を注入或いはメツキ等の手段で埋設するため、同時焼
成でなく、また、カーボンペーストの塗布厚みはせいぜ
い最大２０μｍ程度でであり、焼成収縮後に形成される
空隙の厚み及び埋設する金属材料の厚みも１５μｍ程度
までに限られていた。

また、上記（３）の方法でも、スクリーン印刷法を用い
るため導電ペーストの厚さはせいぜい１０μｍ程度まで
あった。

更に、上記（４）の方法では、セラミックスが一般に８
〜２０％の焼結収縮を生ずるのに対し、金属材料は僅か
であるが熱膨張性である。従って、両者は焼成の際に逆
の挙動を示し、金属材料の厚みが大きい場合や金属材料
をセラミックス成形体内部に高密度に埋設する場合には
、焼成時にクラ、。

りが生じ易い。また、金属材料が薄くかつ低密度に内蔵
させる場合において、クランクが生ぜずに焼結できても
その焼結体は残留歪みが大きく変形を伴うものであった
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明のセラミックス複合体の製造方法は、上記の課
題を解決することを目的とするものであり、セラミック
スグリーン成形体に金属材料を内蔵させた後、焼成して
セラミックス複合体を製造するにあたり、金属材料のセ
ラミックスグリーン成形体との接触部に、セラミックス
グリーン成形体の焼結収縮に対応する厚さに、有機材料
又はカーボン粉末よりなる被覆材料を被覆し、該被覆金
属材料をセラミックスグリーン成形体に内蔵させ、その
後焼成することを特徴とするものである。

この発明方法において、セラミックス材料としては特に
限定されるものでなく、アルミナ、ジルコニア、マグネ
シア、サイアロン、スピネル、ムライト、結晶化ガラス
、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホ
ウ素等の粉末、及びＭｇＯ−３ｉ０２−ＣａＯ系、Ｂ２
０）−ＳｉＯｘ系、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−５ｉ０２系、Ｃ
ａＯ−５ｉ０２ＣａＯ−５ｉ０２−系、ＰｂＯ−５ｉＯ
，−ＢｚＯ，、−ＣａＯ系などのガラスフリット粉末が
あげられ、その単独もしく二種類以上が用いられる。ま
た、必要に応じて、これらのセラミックス粉末に、有機
結合剤、可塑剤、溶剤等を添加し、ボールミル等の混線
機で混練した後各種成形法によりセラミックスグリーン
成形体を製造する。

金属材料としては、例えば、金、銀、チタン、クロム、
銅、ニッケル、鉄、モリブデン、マンガン、アルミニウ
ム、白金、タングステン、イリジウム、ロジウム、コバ
ルト、バナジウム等の金属やこれらの金属の合金からな
る線状体、箔、板状体が用いられる。また、所定の形状
が必要なら、箔や板状体を打ち抜き又はエツチングで処
理して作成する。

被覆材料として用いられる有機材料又はカーボン粉末を
例示すると次のとおりである。

（１）　　ポリビニルブチラール、ポリビニルアルコー
ル、ポリ　（メタ）アクリレート、セルロース、デキス
トリン、ポリエチレンワックス、澱粉、カゼイン、パラ
フィンワックス、マイクロタリンワックス、ポリメチル
スチレン、ポリウレタン、不飽和ポリエステル、フェノ
ール樹脂、エポキシ樹脂、感光性樹脂等の高分子材料。

（２）ナフタリン、安息香酸、アントラキノン、アント
ラニル酸、イソフタルニトリル、２．３−ジクロロ−１
，４−ナフトキノン、α−ナフトール、ｐ−ニトロフェ
ニール等の有機固形粉末。

（３）　　グラファイト、カーボンブラック、グラッシ
ーカーボン等の炭素粉末。

これらの材料は、必要に応じて、メタノール、エタノー
ル、ブタノール、プロパツール、シクロヘキサノール、
テルピネオール、メチルエチルケトン、アセトン、酢酸
エチル、トルエン、キシレン、ベンゼン、エーテル、ヘ
キサン、四塩化炭素、水等の溶媒に溶解又は分散して被
覆用液とされる。

この発明において、金属材料に被覆材料を被覆する方法
は、特に限定されないが、例えば、有機材料を溶解した
液やカーボンペースト中に、金属材料を浸漬、引き上げ
後乾燥する方法、有機材料の溶液等をスプレー等で吹き
付けた後乾燥する方法などである。なお、必要に応じ、
上記操作を複数回繰り返して所望の厚みとすればよい。

また、被覆済みの金属材料をセラミックスグリーン成形
体に埋設させる方法も特に限定されるものでなく、例え
ば、セラミックスグリーンシート間にこの金属材料を挟
み込んで熱圧着する方法、セラミックス粉末中にこの金
属材料を配置し、これを加圧成形する方法、石膏型など
の成形型中にこの金属材料を保持し、その回りにセラミ
ックスを流し込む鋳込み成形法等が適宜採用される。

次いで、図面を参照してこの発明方法を説明する。

第１〜３図は、この発明方法をその工程順に例示する断
面図であり、第１図は、焼結前のセラミックスグリーン
成形体中に金属材料を内蔵した状態を示し、第２図は、
脱脂工程後の状態を示し、第３図は、焼成して得られた
セラミックス複合体を示している。

第１図において、１は線状金属材料であり、その周囲に
被覆材料２が被覆されている。３はセラミックスグリー
ン成形体である。この被覆方法、線状金属材料を内蔵さ
せる方法等は前記した方法が適宜採用される。

また、被覆材料２は前記の材料から適宜選択されて使用
するもので、その被覆厚さはセラミックスグリ・−ン成
形体３の焼結収縮に対応する厚さとされている。

即ち、線状金属材料１の径がｒ、セラミックスグリーン
成形体３の焼結線収縮率がＸ％とすれば、被覆金属材料
２が占める部分におけるセラミックスグリーン成形体壁
間の焼成収縮と、被覆厚さｄ３、ｄ２との関係は、次式
のとおりとなる。

（ｄｌ　＋ｄｚ）　＝　［（ｒ　＋ｄ＋　＋ｄｚ）　Ｘ
　　（ｘ／１００）］従って、ｒ＝８０．ｕｓ　、ｘ＝
２０％であれば、被覆材料２の厚さ（ｄｔ＋ｄｚ）は２
０μｍである。

この被覆厚さはできるだけ均一にすることが望ましく、
線状金属材料１の回りに被覆する厚さは、均一な１０μ
ｍとなる。　　〜 第１図に示す状態に金属材料１を内蔵させたセラミック
スグリーン成形体３は、１〜ｂｈｒの昇温速度で２８０
〜６００℃迄昇温し、１〜５時間保持して脱脂する。こ
の脱脂工程で被覆材料２が分解飛散して消滅し、セラミ
ックス脱脂体４と金属材料１との間に空隙５が形成され
る（第２図）。

なお、この脱脂工程は減圧下で行ってもよく、また、金
属材料１の酸化が進む場合には窒素、アルゴン等の還元
雰囲気中で脱脂させるとよい。

次いで、焼成することにより金属材料を内蔵したセラミ
ックス複合体を得る（第３図）。

この焼成条件は、セラミックス粉末の種類を考慮して適
宜決定されるが、１０〜ｂ 昇温速度で６００〜１８５０℃迄昇温し、その温度を１
〜５時間保持するのが一般的である。

なお、焼成条件が金属材料２の融点以上の温度であって
も、溶融した金属材料１は冷却時に固化するので可能で
ある。しかし、金属材料１の溶融体及びその蒸気が焼結
途中のセラミックス内部に拡散することがあるので、金
属材料１の融点未満の温度で焼成するのが好ましい。

この焼成工程においても、金属材料１の酸化が進む場合
には、脱脂工程の場合と同様に、還元雰囲気中で焼成を
行うのがよい。

ところで、前記したことから明らかなとおり、第２図で
示される空隙５は、セラミックス脱脂体４　（セラミッ
クスグリーン成形体３）の焼結収縮に対応する大きさと
なっているので、この焼結収縮に伴い空隙５は消滅し、
その結果、第３図に示すとおり、金属材料１とセラミッ
クス焼結体６とが密着一体化したセラミックス複合体が
得られることになる。

ところで、被覆材料２の被覆厚さについて、セラミック
スグリーン成形体３の焼結収縮に対応する厚み（ｄｌ　
＋ｄｚ＞　は、 （ｄ＋＋ｄｔ）　＝（（ｒ＋ｄ＋＋−ａｔ）　ｘ　（ｘ
／１００）］である去説明したが、前記空隙部５の表面
状態は少なくともセラミックス粉末の一次粒子径程度の
凹凸表面となり、焼結収縮をしてもこの凹凸表面状態で
金属材料１を保持することになる。従って、被覆材料２
の被覆厚さは、上記凹凸表面状態と、焼結収縮過程にお
ける金属材料１の変形とを考慮すれば、使用するセラミ
ックス粉末の一次粒子径分の許容差が認められる。

例えば、使用するセラミックス粉末の一次粒子径が５μ
輪であれば、５μｍの凹凸を持つセラミックス壁面で線
状金属材料１を保持することになる。従って、前記と同
様にセラミックスグリーン成形体３の焼結線収縮が２０
％、線状金属材料１の径が８０μ閣であれば、被覆材料
の被覆厚さｄ（＝ｄりは、１０μｍ±５μｍの範囲であ
ればよいことになる。

〔作用〕

この発明のセラミックス複合体の製造方法は、前記した
とおり、金属材料に、セラミックスグリーン成形体の焼
結収縮に対応する厚さに、有機材料又はカーボン粉末よ
りなる被覆材料を被覆してセラミックスグリーン成形体
に内蔵させるものであるから、脱脂過程で被覆材料が分
解、飛散して金属材料の周囲に空隙が生ずるが、焼成に
伴う焼結収縮でその空隙が消滅しセラミックス壁が金属
材料を保持し、両者は一体化される。従って、被覆材料
を用いない時のように、焼結収縮の際、セラミックス壁
が過度に金属材料を圧することもなく、セラミックスと
金属との歪応力は著しく減少し、焼成後の変形もなくな
る。

〔実施例〕

以下、この発明のセラミックス複合体の製造方法の実施
例を説明する。

なお、部とあるのは重量部を意味する。

（実施例１） 下記のセラミックス組成物をアルミナボールミルで混’
ｌｌし、ポリエチレンテレフタレートフィルム上に塗布
し、２４時間乾燥して厚さ１００μｍのセラミックスグ
リーンシートを作成した。

アルミナ粉末（平均粒径３μｍ）　　　４０　　部Ｐｂ
Ｏ−５ｉＯｚ−ＢｚＯｓ−ＣａＯ系　ガラスフリフト粉
末（平均粒径５μｍ、屈伏点６８４℃）　６０　部ポリ
ビニルブチラール　　　　　　　１２　部ジオクチルフ
タレート　　　　　　　　　４．５部メチルエチルケト
ン　　　　　　　　２４　部トルエン　　　　　　　　
　　　　　１８　部イソプロピルアルコール　　　　　
　１８　部このグリーンシートを２５℃／ｈｒで昇温し
、８５０℃で２時間保持した後、冷却して線膨張率を測
定したところ、１３．０％であった。

被覆材料液として下記の組成を均一に溶解して感光性樹
脂液を得た。

メタクリル　酸メチルーメタクリル　Ｍｎ−ブチル−ア
クリル酸共重合体（６：２：２　、Ｍｗ＝１５万）　　
　　６０　部２．２−ビス（４−メタアクリロキシジェ
トキシフェニル）プロパン　　　１５　　部へキサメチ
レンジアクリレート　　　１５　部２．４−ジメチルチ
オキサントン　　　　　２　部ｐ−ジメチルアミノ安息
香酸エチル　　　２　部マラカイトグリーン　　　　　
　　　０．００５部バラメトキシフェノール　　　　　
　０．１　　部メチルエチルケトン　　　　　　　１６
０　部次いで、上記感光樹脂液に直径１００μｍの金線
を浸漬し、これを引上げて乾燥して、金線の周囲に感光
性樹脂膜を形成し、この樹脂膜を３ｋＷ高圧水銀灯から
５０ｃｍの距離で紫外線を２５ｍＪ／ｃａｔ照射して硬
化させた。この工程を２回繰り返し、金線の周囲に厚さ
７．５μｍの感光性樹脂膜を形成した。

前記のグリーンシートを５０Ｘ５０Ｘ０．１ｍ重に切断
し、これを２０枚積層した上に、前記感光性樹脂を被覆
した金線を２１ｎ間隔で１０本配置し、その上にグリー
ンシート２０枚を積層し、これを１６０℃で２時間保持
し２５０　ｋｇ／ｃＪ　　の圧力で圧着して、被覆金線
を内蔵されたセラミックスグリーン成形体（５０Ｘ５０
Ｘ４ｍｍ）を得た。

このセラミックスグリーン成形体を加熱炉に供給し、５
℃／ｈｒの昇温速度で５００℃まで昇温しで２時間保持
し脱脂した後、更に５０℃／ｈｒで８５０℃まで昇温し
で２時間保持することにより焼成して金線が内蔵された
セラミックス複合体を得た。

このセラミックス複合体は、変形を起こすことなく、金
線の端部が露出した面と平行に厚さ２１１１に切断して
も金線は脱落することなく保持されていた。

（実施例２） ガラスフリフト粉末として、ＰｂＯ−５ｉＯ□−８２０
，系（平均粒径５μｍ、屈伏点４７９℃）のものを用い
た他は、実施例１と同様にして厚さ１００μｍのセラミ
ックスグリーンシートを作成した。

このグリーンシートを２５℃／ｈｒで昇温し、６４０℃
で２時間保持した後、冷却して線膨張率を測定したとこ
ろ、１１．６％であった。

次いで、実施例１と同様の感光樹脂液を用い、同様な工
程によりアルミニウム線の周囲に厚さ６゜５μｍの感光
性樹脂膜を形成した。

前記のグリーンシートと上記被覆アルミニウム線とを用
い、実施例１と同様にして被覆アルミニウム線を内蔵さ
れた七ラミックスゲリーン成形体（５０Ｘ５０Ｘ４ｍ）
を得た。

このセラミックスグリーン成形体を加熱炉に供給し、５
℃／ｈｒの昇温速度で５００℃まで昇温して２時間保持
し脱脂した後、更に５０℃／ｈｒで６４０℃まで昇温し
て２時間保持することにより焼成してアルミニウム線が
内蔵されたセラミックス複合体を得た。

このセラミックス複合体は、変形を起こすことなく、ア
ルミニウム線の端部が露出した面と平行に厚さ２鶴に切
断してもアルミニウム線は脱落することなく保持されて
いた。

（実施例３） 実施例１の感光性樹脂液に代えてカーボンペースト（Ｓ
倉化成■製、ＸＣ−（２））を使用し、このカーボンペ
ーストにテルピネオールを２０部混練して４０℃で溶剤
を飛散させて２２００ｐｓまで増粘したものを用い、実
施例１と同様にして金線の回りに厚さ７．５μｍのカー
ボン被覆層を形成した。

このカーボン被覆金線を、実施例１と同様して実施例１
と同じグリーンシートに内蔵させてセラミックスグリー
ン成形体（５０ｘ５０ｘ４鶴）を得た。

このセラミックスグリーン成形体を加熱炉に供給し、５
℃／ｈｒの昇温速度で６５０℃まで昇温しで２４時間保
持し後、更に５０℃／ｈｒで８５０℃まで昇温しで２時
間保持することにより焼成して金線が内蔵されたセラミ
ックス複合体を得た。

このセラミックス複合体は、変形を起こすことなく、金
線の端部が露出した面と平行に厚さ２Ｒに切断しても実
施例１及び２と同様金線は脱落することなく保持されて
いた。

（比較例） 被覆していない１００μｍのアルミニウム線を用いた他
は実施例２と同様にして焼成を行ったところ、この焼結
体は、アルミニウム線埋設面にクランクが生ずると共に
大きな変形を伴うため、所望のセラミックス複合体を得
ることはできなかった。

〔発明の効果〕

この発明のセラミックス複合体の製造方法は、以上述べ
たとおり、金属材料に、セラミックスグリーン成形体の
焼結収縮に対応する厚さに、有機材料又はカーボン粉末
よりなる被覆材料を被覆してセラミックスグリーン成形
体に内蔵させるものであるから、脱脂過程で被覆材料が
分解、飛散して金属材料の周囲に空隙が生じた分だけ、
焼成に伴う焼結収縮が行われるので、セラミックス壁が
過度に金属材料を圧することもなく、セラミックスと金
属との歪応力は著しく減少し、焼成後の変形がないセラ
ミックス複合体を製造できる。

【図面の簡単な説明】

図面は、この発明方法の一例をその工程順に例示するも
のであり、第１図はセラミックスグリーン成形体中に金
属材料を内蔵した状態の断面図、第２図は脱脂工程後、
焼成前の断面図、第３図は焼成して得られたセラミック
ス複合体を示す断面図である。 １−・線状金属材料、２・−被覆材料、３−・−セラミ
ックスグリーン成形体、６・−セラミックス焼結体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスグリーン成形体に金属材料を内蔵さ
   せた後、焼成してセラミックス複合体を製造するにあた
   り、金属材料のセラミックスグリーン成形体との接触面
   に、セラミックスグリーン成形体の焼結収縮に対応する
   厚さに、有機材料又はカーボン粉末よりなる被覆材料を
   被覆し、該被覆金属材料をセラミックスグリーン成形体
   に内蔵させ、その後焼成することを特徴とするセラミッ
   クス複合体の製造方法。