JPS627678A - 非酸化物セラミツクス用接着剤シ−ト及び非酸化物セラミツクスの接着方法 - 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 本発明は、シート状の非酸化物セラミックス用接着剤及
び非酸化物セラミックスの接着方法に関する。

来校術とその間　点 窒化ケイ素や炭化ケイ素などの非酸化物セラミックスは
、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、非酸化物セラミックスに
その優れたは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ックス相互を接着させること
が必要となってくる。特に非酸化物セラミックス成形体
は、複雑な形状に成形及び加工することが困１Ｒ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、非酸化物セラミッ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、非酸化物セラミックスは、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ックスとは異
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、非酸化物セラミックスの接着には、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、高温高圧下でホットプレスする方法がとられてい
た。しかしながら、ホットプレス法では、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。

したがって、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、非酸化物セラミックス用
接着剤としては、Ｉ−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、フッ化カルシウム−カ
オリン系、おるいはこれに希土類酸化物を少聞添加した
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
ミックスとの熱膨張係数の違いなどにより、一般に接着
強度が低く、非酸化物セラミックス成形体の優れた特性
を十分に生かすにはいたっていない。

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ックス用
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ックスの常圧
焼結晶の強度（例えば、窒化ケイ素で約５３ｋＭｍｍ２
、炭化ケイ素で約５０ｋＭｍｍ２）に近い接着強度を示
し、しかもその強度を約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、ペレッ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。従って、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。

同　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
化物セラミッ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幅かかわらず、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
酸化物セラミッ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
物セラミックス相互間に介在させ、非酸化性雰囲気下１
４００〜１８００℃の温度で加熱することを特徴とする
非酸化物セラミッ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ックスは、
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、ホットプレス、常圧
焼結、あるいは反応焼結等のいずれの方法で得られたも
のであってもよく、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、ウィスカー状態のも
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、非酸化物セラミッ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ＩＱＱｍｏ１％とした場合に、窒化ケイ素を３５〜
５５ｍ０Ｉ％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１０〜３５ｍｏ＋％
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４０〜５５ｍｏ１
％、酸化イツトリウムを１５〜３３ＩｌｌＯＩ％、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〜Ｂ□ｗ
ｔ％添加するのが最適である。１０ｗｔ％未満及び８Ｑ
ｗｔ％を超える場合には該接着剤の非酸化物セラミック
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、該接着剤の熱膨張係数が被接着体の非酸化物セラミ
ックス成形体の熱膨張係数に近くなり、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
マーが好適で必る。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、エチレンープロピレンー
ジエンターポリマー、ポリイソブチレン、ポリイ　　　
　。

ソプレン、スチレン−ブタジェ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−酢酸ヒニル共重合体
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
キルフェノール系、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、パラフィンワックス、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仙の併用成
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ックを生じ
ない様に、２５°Ｃで０．１〜５０　ｋｇ／　ｍｍ２程
度、より好ましくは０．５〜４０ｋＭｍｍ２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℃において試料をチャック間距離５
Ｑｍｍで３００１１１ｍ／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ュ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車量
部に対し後者３〜５０手串部程度、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（ウィスカーを使用
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。従って、接着特
性及び成形性に優れた接着剤シートを１ｑ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
重量部程度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、混線物を離型紙を被せ
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ィルム状、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、
ドクターブレード法等の他の任意の方法によっても行な
い１ｑ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ックス
の接着を行なうには、非酸化物セラミックス部材の被接
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１　Ｃｍ２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
ラミッ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
、被接着体でおる非酸化物セラミックス成形体部材の変
形成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、およそ１
４００〜１８００℃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ックス成形体部材を１４０
０℃以上に加熱すると、接着剤成分が溶融して非酸化物
セラミッ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ックス成形体部との間で何らかの
反応が起こり、非酸化物セラミッ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
の熱膨張係数が非酸化物セラミックス成形体部材の熱膨
張係数に近くなり、その結果、接着後の接着層内の残留
ひずみが小ざく、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った大型、
複雑、異形の非酸化物セラミッ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、Ｏ’、０５〜
５ｍｍ程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
ぎも少ない。更にまた、本発明の接着剤シー１へは、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。従って、非酸化物セ
ラミックスは、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 窒化ケイ素ウィスカー（径０．５〜２μｍ、長さ５０〜
３００μｍ）４５ｍｏ１％、酸化イツトリウム２７，５
１１１０１％及び酸化ランタン２７．５ｍｏ１％からな
る混合粉末１００重量部に酸化マグネシウム３０Ｉｉｆ
ｆｉ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重間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３．６ｋ
Ｍｍｍ２、曲率半径Ｑ、５ｍｍ以下であった。

この接着剤シートを１０Ｘ　１０ｍｍ２に切断し、１　
Ｑｘ　１０Ｘ　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。

ｊｑられた接着体試料から３Ｘ３ｘ３０ｍｍ３の角棒を
切り出し、スパン２Ｑｍｍ、荷重速度０．５ｍｍ／ｍｉ
ｎの条件下に三点曲げ試験を行なった結果、３２゜５ｋ
Ｍｍｍ２の強度が得られた。

実施例２ 窒化ケイ素粉末（平均粒径１５μｍ＞４５ｍｏ１％、酸
化イツトリウム２７．５ｍｏ１％及び酸化ランタン２’
７．５ｍｏ１％からなる混合粉末１００重間部に酸化マ
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型口部を加
え、実施例１と同様の方法により、厚さ３００μｍ、弾
性率２．４ｋＭｍｍ２、曲率半径Ｑ、５ｍｍ以下の本発
明の接着剤シートをｊｑ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°Ｃ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３２．４ｋ（Ｉｆ
／ｍｍ２であった。

実施例３ 窒化ケイ素粉末（平均粒径１５μｍ）５５ｍｏｌ％、酸
化イツトリム２２．５…０１％及び酸化ランタン２２．
５ｍｏ１％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１００ｆｆｉ量部にバインダーとしてブタ
ジェンゴム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、常温でロール斤延し、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１．４ｋＭｍｍ２、曲率半
径Ｑ、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
ｘ１０ｘ１５ｍ…３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
。

１ｑられた接着体試料から、３Ｘ３Ｘ３０ｍｍ３の角棒
を切り出し、スパン２Ｑｍｍ、荷重速度０．５ｍｍ／　
ｍ　ｉｎの条件下で三点曲げ試験を行なったところ、２
８．５ｋＭｍｍ２の強度が得うレタ。

実施例４ 窒化ケイ素ウィスカー（径０．５〜２０μｍ、長さ５０
〜３００μｍ）５５ｍｏ１％、酸化イツトリウム２２．
５ｍｏ１％及び酸化ランタン２２．５ｍｏ１％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重最単口対し、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Ｑ、５ｍｍ以下の本発明のフィル
ム状接着剤組成物を得た。

このフィルム状接着剤も、優れた接着特性を示した。

（以　上）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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ックス用接
   着剤シート。
2. （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ッ
   クス相互間に介在させ、非酸化性雰囲気下１４００〜１
   ８００℃の温度で加熱することを特徴とする非酸化物セ
   ラミックスの接着方法。