JP2015067472A

JP2015067472A - セラミック接合体

Info

Publication number: JP2015067472A
Application number: JP2013201727A
Authority: JP
Inventors: 中村　清隆; Kiyotaka Nakamura; 清隆中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-13
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: JP6208512B2

Abstract

【課題】高温に繰り返し曝される環境においても長期間に亘って使用可能なセラミック接合体を提供する。
【解決手段】第１のセラミック焼結体１と第２のセラミック焼結体２とが、希土類元素、珪素、アルミニウムおよびマグネシウムを含む酸化物からなる接合層３を介して接合されてなり、接合層３の内部３ｂにおける希土類元素を酸化物換算した含有量より、接合層３の外部３ａにおける希土類元素を酸化物換算した含有量が多いセラミック接合体10である。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック焼結体同士を接合してなるセラミック接合体に関する。

窒化珪素質焼結体や炭化珪素質焼結体は、機械的強度が高く、耐熱性や耐食性など優れた特性を有していることから、幅広い分野で用いられている。そして、近年では、このような特性が求められる部材を備える装置や設備の大型化に伴って、部材の大型化や長尺化、さらには、部材形状の複雑化が求められている。しかしながら、大型、長尺、複雑な形状等の成形体を一体的に形成することは困難であり、仮に、一体的な成形体を得ることができたとしても、セラミックス自体焼成が困難な材料であることから、大型、長尺、複雑な形状等であれば尚更、不具合のない焼結体を得ることは困難であった。また、大型、長尺、複雑な形状等に対応するには、成形や焼成に関する大きな設備や煩雑な加工が可能な設備を準備しなければならず、作製が困難であるだけではなく、設備投資コストも大きいことから、複数の焼結体同士を接合することによって、部材の大型化、長尺化、形状の複雑化への対応が図られている。

そして、窒化珪素質焼結体や炭化珪素質焼結体は、機械的強度が高く、耐熱性や耐食性など優れた特性を有していることから、幅広い分野で用いられているものであるが、接合によって、大型化、長尺化、形状の複雑化が図られた部材も優れた特性を有している必要があることから、接合層の構成による特性の向上が図られている。

例えば、本願出願人は、特許文献１において、窒化珪素質焼結体からなる一対の板状の基体の主面同士が、アルミニウム，シリコン，イットリウムおよびルテチウムを含むガラスを主成分とし、ルテチウム化合物の結晶を含む接合層を介して接合されていることにより、熱伝導率を向上させたセラミック接合体を提案している。

特開2010−150048号公報

また、装置や設備を用いた被処理物の処理は厳しさを増しており、装置や設備を構成する部材は、被処理物の処理環境や処理時の温度上昇等によって、例えば1000℃を超えるような高温に繰り返し曝される環境で用いられてきている。しかしながら、このような環境においてセラミックスからなる接合体が用いられたとき、接合層の露出面側から、接合層の組成が変動して接合強度が低下するという問題があった。そのため、セラミックスからなる接合体には、高温に繰り返し曝される環境においても、高い接合強度を維持でき、長期間に亘って使用可能であることが求められている。

本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、高温に繰り返し曝される環境においても長期間に亘って使用可能なセラミック接合体を提供することを目的とするものである。

本発明のセラミック接合体は、第１のセラミック焼結体と第２のセラミック焼結体とが、希土類元素、珪素、アルミニウムおよびマグネシウムを含む酸化物からなる接合層を介
して接合されてなり、前記接合層の内部における希土類元素を酸化物換算した含有量より、前記接合層の外部における希土類元素を酸化物換算した含有量が多いことを特徴とするものである。

本発明のセラミック接合体によれば、高温に繰り返し曝される環境で用いられても、接合層の外部における組成変動の抑制によって接合強度を高く維持できることから、長期間に亘る使用に耐え得る高い信頼性を有する。

本実施形態のセラミック接合体の一例を示す、（ａ）は部分的に切断した外観斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部を拡大した部分断面図である。

以下、本実施形態のセラミック接合体の例について説明する。

図１は、本実施形態のセラミック接合体の一例を示す、（ａ）は部分的に切断した外観斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部を拡大した部分断面図である。

図１に示す例のセラミック接合体10は、第１のセラミック焼結体１と第２のセラミック焼結体２とが、希土類元素、珪素、アルミニウムおよびマグネシウムを含む酸化物からなる接合層３を介して接合されてなり、接合層３の内部３ｂにおける希土類元素を酸化物換算した含有量より、接合層３の外部３ａにおける希土類元素を酸化物換算した含有量が多いことを特徴とする。

上記構成であることにより、第１のセラミック焼結体１と第２のセラミック質焼結体２とは、強固に接合されて高い接合強度を有するセラミック接合体10となる。また、接合層３の内部３ｂにおける希土類元素を酸化物換算した含有量より、接合層３の外部３ａにおける希土類元素を酸化物換算した含有量が多いことから、接合層３の外部３ａ、すなわち接合層３の露出面側である外縁に、蒸気圧の低い希土類元素の酸化物が多く存在することとなる。それ故、高温に繰り返し曝される環境で用いられても、接合層３の外部３ａにおける組成変動は小さく、この組成変動の抑制によって接合強度は高く維持されることから、長期間に亘る使用に耐え得るものとなり、高い信頼性を有するセラミック接合体10となる。

なお、接合層３における外部３ａとは、接合層３の露出面（図１における側面）を基点として内側に向かって100μｍ以内の部分であり、接合層３における内部３ｂとは、露出
面を基点として内側に向かって200μｍ以上の部分である。

そして、接合層３が、希土類元素、珪素、アルミニウムおよびマグネシウムを含む酸化物からなるものであるか否かについては、図１に示すように、第１のセラミック焼結体１、接合層３、第２のセラミック焼結体２を切断した際の断面（以下、単に断面という。）における接合層３の断面を測定面とし、電子線マイクロ分析装置（ＥＰＭＡ）を用いたカラーマッピングで確認することができる。なお、同じ測定領域において、希土類元素、珪素、アルミニウム、マグネシウムおよび酸素が確認されたものであるとき、接合層３は、希土類元素、珪素、アルミニウムおよびマグネシウムを含む酸化物からなるとみなす。

また、接合層３の外部３ａおよび内部３ｂにおける希土類元素の酸化物換算での含有量については、それぞれの部位における希土類元素の含有量をＥＰＭＡを用いて求め、それぞれ酸化物に換算すればよい。具体的には、希土類元素がイットリウムであるとき、ＥＰ
ＭＡによりＹ量を求め、Ｙ_２Ｏ_３に換算すればよい。

なお、接合層３を構成する希土類元素としては、イットリウム、ルテチウム、イッテルビウムおよびエルビウムから選択されるものであることが好適である。これは、イットリウムについては、接合剤として用いる酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）粉末が、比較的安価であるとともに低い温度で接合層３を形成することができるからである。また、ルテチウム、イッテルビウムおよびエルビウムについては、希土類元素の中でイオン半径が小さい元素であり珪素および酸素との結合が強いため、フォノンの伝達がよく、セラミック接合体10の熱伝導率を高くすることができるからである。

また、ルテチウム、イッテルビウムおよびエルビウムは、珪素および酸素との結合が強いことにより、熱エネルギーによる格子振動が小さく、温度変化による体積膨張が小さいため、セラミック接合体10の耐熱衝撃性を高くすることができる。なお、熱伝導率や耐熱衝撃性を高めつつ低コストで接合層３を形成するには、イットリウムを基軸として、イットリウムの質量の一部を、ルテチウム、イッテルビウムおよびエルビウムに置き換えればよい。

ここで、図１に示す例のセラミック接合体10における第１のセラミック焼結体１および第２のセラミック焼結体２は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向のそれぞれの長さが、例えば、400ｍｍ〜1000ｍｍ、400ｍｍ〜1000ｍｍ、３ｍｍ〜30ｍｍの平板状である。

なお、本実施形態のセラミック接合体10は、棒状や筒状同士の接合体や、平板状と筒状との接合体などであってもよく、セラミック焼結体を接合するものであり、上述した接合層３の構成を満たすものであれば、図１に示す形状に限定されるものではない。また、図１に示す例のセラミック接合体10における接合層３は、厚み（Ｚ方向の長さ）が例えば５μｍ〜100μｍである。

また、第１のセラミック焼結体１および第２のセラミック焼結体２は、主成分が、例えば、炭化珪素、窒化珪素、炭窒化珪素、炭化硼素、窒化硼素、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムからなる焼結体である。なお、ここで主成分とは、焼結体を構成する全成分100質量％のうち、70質量％以上含有する成分をいう。

また、本実施形態のセラミック接合体10によれば、内部３ｂにおける各成分を酸化物換算した含有量は、内部３ｂを構成する成分を酸化物換算した合計100質量％のうち、希土
類元素が35質量％以上45質量％以下であり、珪素が35質量％以上45質量％以下であり、アルミニウムが15質量％以上25質量％以下であり、マグネシウムが0.1質量％以上１質量％
以下であり、外部における希土類元素を酸化物換算した含有量は、外部３ａを構成する成分を酸化物換算した合計100質量％のうち、56質量％以上64質量％以下であることが好適
である。

内部３ｂにおける希土類元素および珪素を酸化物換算した含有量が35質量％以上45質量％以下であるときには、含有する珪素の酸化物によって形成される３次元網目状組織内に希土類元素が固溶することによって接合強度を高めることができる。また、接合層３における弾性が高くなるため、高温に曝されても接合層３にクラックが生じにくくなるため、高い接合強度を維持することができる。

また、アルミニウムを酸化物換算した含有量が15質量％以上25質量％以下であるときには、高温に曝された際、接合層３に含まれる希土類元素の酸化物と珪素の酸化物との液相分離を抑制することができるため、接合層３が軟化しにくく、この軟化に伴う空隙が生じにくくなり、高い接合強度を維持することができる。

また、マグネシウムを酸化物換算した含有量が0.1質量％以上１質量％以下であるとき
には、マグネシウムはアルミニウムおよび酸素と結合しやすく、アルミン酸マグネシウム等の化合物を生成することにより、接合層３の接合強度を高めることができる。また、高温に曝されても、アルミン酸マグネシウム等の化合物は容易に分解せず、この分解による気化が生じにくく、接合層３に空隙が生じにくくなるため、高い接合強度を維持することができる。

また、外部３ａにおける希土類元素を酸化物換算した含有量が56質量％以上64質量％以下であるときには、高温に繰り返し曝される環境で用いられた際の組成変動を抑制しつつ、外部３ａにおいて高い接合強度を有する接合層３とすることができる。

また、本実施形態のセラミック接合体10は、外部３ａに、第１のセラミック焼結体１および第２のセラミック焼結体２（以下、第１のセラミック焼結体１および第２のセラミック焼結体２を被接合体と記載する場合がある。）のいずれにも接する希土類元素を含む酸化物からなる結晶を有していることが好適である。このような構成を満たすときには、接合層３において、熱伝導性が低い非晶質相（ガラス）を介することなく被接合体間が繋がることとなるため、被接合体間の熱伝達が良好になり、セラミック接合体10の熱伝導性を高めることができる。

ここで、被接合体のいずれにも結晶が接しているか否かについては、接合層３の断面を測定面とし、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影した反射電子像を用いて、例えば、150倍以上3000倍以下の倍率で確認すればよい。また、その結晶が、希土類元素を含む酸
化物からなる結晶であるか否かについては、Ｘ線回折装置を用いて測定することによって同定して確認すればよい。

ここで、希土類元素を含む酸化物からなる結晶とは、希土類元素がイットリウムであるとき、例えば、酸化イットリウム、組成式がＡｌ_２Ｙ_４Ｏ_９で表されるＹＡＭ、ＡｌＹＯ_３で表されるＹＡＰ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２で表されるＹＡＧ等である。

また、希土類元素がルテチウムであるとき、希土類元素を含む酸化物からなる結晶とは、例えば、酸化ルテチウムや、Ｌｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７またはＬｕ_２ＳｉＯ_５の組成式で表されるものである。

また、本実施形態のセラミック接合体10は、外部３ａに、第１のセラミック焼結体１および第２のセラミック焼結体２のいずれにも接する希土類元素および珪素を含む酸化物からなる結晶を有していることが好適である。希土類元素および珪素を含む酸化物からなる結晶は、結晶の対称性が良好であることから、被接合体のいずれにも接しているときには、被接合体間の熱伝達がさらに良好に行なわれるため、セラミック接合体10の熱伝導性をさらに高めることができる。ここで、希土類元素および珪素を含む酸化物の結晶とは、ボラステナイト、アパタイト、ダイシリケート、モノシリケート等である。

なお、被接合体のいずれにも結晶が接しているか否か、また、その結晶が希土類元素および珪素を含む酸化物からなる結晶であるか否かについては、希土類元素を含む酸化物からなる結晶における確認方法と同じ方法により行なうことができる。

そして、上述した希土類元素を含む酸化物からなる結晶および希土類元素および珪素を含む酸化物からなる結晶は、その形状が柱状または針状であることが好適である。ここで、形状が柱状または針状であるとは、接合層３の断面において、結晶におけるアスペクト比が３以上である場合をいう。なお、アスペクト比は、ＪＩＳＲ 1670−2006に準拠し
て測定すればよい。

また、本実施形態のセラミック接合体10は、接合層３がさらに窒素を含むことが好適である。接合層３が窒素を含むときには、接合層３を構成する酸化物の軟化点が高くなるため、高温で長時間曝された場合でも軟化しにくくなるとともに、熱による接合層３の膨張が抑制されることから、高温に繰り返し曝されても、接合層３にクラックが生じにくくなり、高い接合強度を維持することができる。特に、接合層３における窒素の含有量は、１質量％以上５質量％以下であることが好適であり、接合層３における窒素の有無および含有量は、ＥＰＭＡによる定量分析、または接合層３のみを採取することができれば窒素分析装置により確認することができる。

また、本実施形態のセラミック接合体10における接合層３は、外部３ａの厚みが内部３ｂの厚みよりも厚いことが好適である。外部３ａの厚みが内部３ｂの厚みよりも厚いときには、高温に繰り返し曝された際の組成変動を抑制することができるため、接合強度を高く維持することができる。

また、本実施形態のセラミック接合体10における接合層３は、外部３ａにおける接合界面のうねりが内部３ｂにおける接合界面のうねりよりも大きいことが好適である。このような構成を満たすときには、接合層３の外部３ａから内部３ｂに向かってせん断力が掛かっても接合層３が剥離しにくくなる。ここで、うねりが大きい状態とは、例えば、断面における接合界面を見たとき、第２のセラミック焼結体を構成する結晶が接合層３側に入り込み、接合層３が第２のセラミック焼結体２側に入り込んでいる状態のことである。

なお、うねりの大きさは、図１（ｂ）に示すような断面において、第２のセラミック焼結体２を構成する結晶の中で接合層３側に最も入り込んでいる山頂部と、接合層３が第２のセラミック焼結体２側に最も深く入り込んでいる谷底部との差で表し、この差は、ＳＥＭを用いて2000倍以上4000倍以下の倍率で確認すればよい。

また、本実施形態のセラミック接合体10は、接合層３が気孔を含まないことが好適である。接合層３が気孔を含まないときには、セラミック接合体10が熱衝撃を受けても、気孔の輪郭を起点とするクラックを生じることが少ないため、熱衝撃に対する信頼性を高めることができる。接合層３における気孔は、ＳＥＭにより撮影した反射電子像を用いて、例えば、150倍以上2000倍以下の倍率で確認することができる。

また、本実施形態のセラミック接合体10を構成する被接合体は、相対密度がいずれも95％以上99％以下であることが好適である。ここで、被接合体の相対密度は、ＪＩＳＲ 1634−1998に準拠してセラミック焼結体の見掛密度を求め、この見掛密度をそれぞれのセラミック焼結体の理論密度で除すことにより求めればよい。

次に、本実施形態のセラミック接合体の製造方法の一例について説明する。

まず、希土類元素の酸化物、酸化珪素、酸化アルミニウムおよび酸化マグネシウムの各粉末を準備する。ここで、接合層の内部における各成分を酸化物換算した含有量を、内部を構成する成分を酸化物換算した合計100質量％のうち、希土類元素を35質量％以上45質
量％以下、珪素を35質量％以上45質量％以下、アルミニウムを15質量％以上25質量％以下、マグネシウムを0.1質量％以上１質量％以下とするには、各粉末の質量比率は、希土類
元素の酸化物が35質量％以上45質量％以下、酸化珪素が35質量％以上45質量％以下、酸化アルミニウムが15質量％以上25質量％以下、酸化マグネシウムが0.1質量％以上１質量％
以下であり、これらの粉末の合計が100質量％となるように秤量して混合する。

なお、各粉末の平均粒径は、例えば、希土類元素の酸化物が５μｍ〜６μｍ、酸化珪素が１μｍ以下、酸化アルミニウムが0.4μｍ〜２μｍ、酸化マグネシウムが0.5μｍ〜２μｍであり、酸化珪素および酸化アルミニウムの粉末の平均粒径は、いずれも0.4μｍ〜0.6μｍであることが好適である。

また、接合層に窒素を含ませるには、上述した粉末の合計100質量％に対して、例えば
、平均粒径が0.5μｍ〜1.5μｍである窒化珪素の粉末を１質量％以上５質量％加えて混合すればよい。

次に、ノルマルパラフィン系の疎水性の有機溶媒と、分散剤であるソルビタン脂肪酸エステルとを10：１の質量比率で混合した有機溶剤とともに、上述した混合粉末を撹拌脱泡機に入れて、撹拌・脱泡を行なうことによってペースト状の接合剤を得る。

次に、被接合体として、公知の方法により作製した炭化珪素質焼結体からなる第１のセラミック焼結体および第２のセラミック焼結体を用意する。そして、被接合体のいずれか一方の接合面に、スクリーンSUSメッシュ規格で定められるメッシュ番号が♯80以上♯400以下であるスクリーン製版を用いて接合剤を塗布（印刷）する。特に、スクリーン製版のメッシュは♯140以上♯180以下であることが好適である。また、接合剤の塗布厚みは、例えば、６μｍ以上110μｍ以下である。

そして、被接合体の接合面同士を合わせた後、接合面に垂直な方向から圧力を加える。なお、ここで加える圧力は、接合面の上側に位置する被接合体の自重によるものであってもよい。

次に、多孔質の炭素製の熱処理容器内に入れて熱処理する。このとき、接合面に垂直な方向から圧力を加えた状態で熱処理することが好適であり、例えば、面圧が１ＫＰａ以上２ＫＰａ以下であることが好適である。また、熱処理条件は、真空雰囲気中において800
℃まで昇温した後、熱処理容器の内部に窒素を供給して昇温を続け、窒素雰囲気中において保持温度および保持時間をそれぞれ1400℃以上1600℃以下、30分以上90分以下である。そして、このような熱処理を経ることにより、本実施形態のセラミック接合体を得ることができる。

ここで、多孔質の炭素製の熱処理容器を用いる理由は、珪素、アルミニウムおよびマグネシウムの各酸化物は、いずれも希土類元素の酸化物よりも蒸気圧が高く、高温に曝されると揮散しやすいという特性を利用するためであり、このような熱処理容器を用いることによって、接合層の内部における希土類元素を酸化物換算した含有量より、接合層の外部における希土類元素を酸化物換算した含有量が多いセラミック接合体を得ることができる。

なお、上述した製造方法により得られたセラミック接合体の接合層の内部における各成分を酸化物換算した含有量は、内部を構成する成分を酸化物換算した合計100質量％のう
ち、希土類元素が35質量％以上45質量％以下、珪素が35質量％以上45質量％以下、アルミニウムが15質量％以上25質量％以下、マグネシウムが0.1質量％以上１質量％以下となる
ものである。そして、外部における希土類元素を酸化物換算した含有量を、外部を構成する成分を酸化物換算した合計100質量％のうち、56質量％以上64質量％以下とするには、
熱処理時に相対密度が83％以上86％以下である熱処理容器を用いればよい。

また、接合層の外部に、第１のセラミック焼結体および第２のセラミック焼結体のいずれにも接する希土類元素を含む酸化物からなる結晶を有するセラミック接合体を得るには、累積分布曲線における累積90質量％の粒径であるＤ_９０が接合層の厚みの90％以上とな
る希土類元素の酸化物の粉末を用いればよい。

また、接合層の外部に、第１のセラミック焼結体および第２のセラミック焼結体のいずれにも接する希土類元素および珪素を含む酸化物からなる結晶を有するセラミック接合体を得るには、上記Ｄ_９０が接合層の厚みの90％以上となる希土類元素の酸化物の粉末および平均粒径が0.5μｍ以下である酸化珪素の粉末を用いればよい。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

まず、希土類元素の酸化物、酸化珪素、酸化アルミニウムおよび酸化マグネシウムの各粉末を準備した。なお、希土類元素の酸化物の粉末の種類は、表１に示す通りである。

そして、各粉末の質量比率が、希土類元素の酸化物を40質量％、酸化珪素を39.5質量％、酸化アルミニウムを20質量％、酸化マグネシウムを0.5質量％となるように秤量した後
、混合した。なお、試料Ｎｏ．９，10については、Ｙ_２Ｏ_３が35質量％、Ｌｕ_２Ｏ_３が５質量％となるように秤量した。

また、各粉末の平均粒径は、希土類元素の酸化物を5.5μｍ、酸化珪素を0.6μｍ、酸化アルミニウムを0.5μｍ、酸化マグネシウムを1.2μｍとした。

次に、ノルマルパラフィン系の疎水性の有機溶媒と、分散剤であるソルビタン脂肪酸エステルとを10：１の質量比率で混合した有機溶剤とともに、混合粉末を撹拌脱泡機に入れて、撹拌・脱泡を行なうことによってペースト状の接合剤を得た。

次に、公知の方法により作製した50ｍｍ□で厚みが３ｍｍの炭化珪素質焼結体からなる第１のセラミック焼結体および第２のセラミック焼結体を用意した。そして、第２のセラミック焼結体の接合面に、スクリーンSUSメッシュ規格で定められるメッシュ番号が♯165であるスクリーン製版を用いて接合剤を塗布した。このとき、接合剤の塗布厚みは、45μｍとした。

次に、第１のセラミック焼結体の接合面と合わせた後、接合面に垂直な方向から圧力を加えた。その後、表１に示す相対密度の炭素製の熱処理容器内に入れて熱処理した。

熱処理条件としては、真空雰囲気中において800℃まで昇温した後、熱処理容器の内部
に窒素を供給して昇温を続け、窒素雰囲気中において保持温度および保持時間をそれぞれ1520℃、60分とした。また、接合面に1.5ＫＰａの面圧を掛けた状態で熱処理を行なった
。そして、上述した方法により、試料Ｎｏ．１〜10のセラミック接合体を得た。

そして、これらの試料を用いて熱サイクル試験を行なった。この試験は、試料を、熱処理装置内に配置して、水蒸気を含む酸素分圧が10^−９ＭＰａの雰囲気中において、1250℃で10時間保持する熱処理をし、その後大気中で常温（25℃）まで放冷し、この熱処理から放冷までのサイクルを１サイクルとし、10サイクル繰り返す毎に、光学顕微鏡を用いて100倍の倍率で接合層を観察し、剥離が初めて観察されたサイクル数を表１に示した。

また、試料Ｎｏ．１〜10の別試料を用意し、図１に示すような断面を切り出し、ＥＰＭＡを用いて、外部における希土類元素の酸化物換算での含有量と、内部における各成分の酸化物換算での含有量を求めた。内部における希土類元素の酸化物換算での含有量は40質量％であり、酸化珪素（ＳｉＯ_２）の含有量は39.5質量％であり、酸化アルミニウム（Ａ
ｌ_２Ｏ_３）の含有量は20質量％であり、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の含有量は0.5質量
％であり、調合通りであったことを確認した。外部および内部における希土類元素の酸化物換算での含有量を表１に示す。

表１に示すように、試料Ｎｏ．１，３，５，７，９は、試料Ｎｏ．２，４，６，８，10に比べて、熱サイクル試験における剥離が初めて観察された回数が高かった。この結果より、希土類元素、珪素、アルミニウムおよびマグネシウムを含む酸化物からなる接合層を介して接合されてなり、接合層の内部における希土類元素を酸化物換算した含有量より、接合層の外部における希土類元素を酸化物換算した含有量が多いことによって、高温に繰り返し曝されても、接合層の外部における組成変動が抑制されているため、接合強度を高く維持することができ、長期間に亘る使用に耐え得る高い信頼性を有するセラミック接合体であることがわかった。

調合量および熱処理時に用いる熱処理容器の相対密度を表２に示す通りとしたこと以外は実施例１と同様の方法により、試料Ｎｏ．11〜37のセラミック接合体を作製した。

また、実施例１と同様の方法により、熱サイクル試験を行なった。また。実施例１と同様の方法により、外部における希土類元素の酸化物換算での含有量と、内部における各成分の酸化物換算での含有量を確認した。その結果、各成分の内部における各成分の酸化物換算での含有量は、調合通りであった。表２に、剥離が初めて観察されたサイクル数および外部および内部における希土類元素の酸化物換算での含有量を示す。

表２に示すように、内部における各成分を酸化物換算した含有量が、内部を構成する成分を酸化物換算した合計100質量％のうち、希土類元素が35質量％以上45質量％以下であ
り、珪素が35質量％以上45質量％以下であり、アルミニウムが15質量％以上25質量％以下であり、マグネシウムが0.1質量％以上１質量％以下であり、外部における希土類元素を
酸化物換算した含有量が、外部を構成する成分を酸化物換算した合計100質量％のうち、56質量％以上64質量％以下であることにより、接合層に空隙が生じにくく、高い接合強度
を維持し、さらに長期間に亘る使用に耐え得る高い信頼性を有するセラミック接合体となることがわかった。

実施例１の試料Ｎｏ．１を作製した方法と同様の方法により作製した試料Ｎｏ．38と、累積分布曲線における累積90質量％の粒径であるＤ_９０が36μｍの希土類元素の酸化物の粉末を用いたこと以外は試料Ｎｏ．１を作製した方法と同様の方法により作製した試料Ｎｏ．39と、上記Ｄ_９０が36μｍの希土類元素の酸化物の粉末および平均粒径が0.5μｍの
酸化珪素粉末を用いたこと以外は試料Ｎｏ．１を作製した方法と同様の方法により作製した試料Ｎｏ．40とを用意した。

そして、接合層の外部において、第１のセラミック焼結体および第２のセラミック焼結体のいずれにも接する結晶の有無を確認した。なお、この確認においては、ＳＥＭにより撮影した各試料の接合層を含む断面の反射電子像を用いて3000倍の倍率で確認した。その結果、試料Ｎｏ．38においては、第１のセラミック焼結体および第２のセラミック焼結体のいずれにも接する結晶は確認されなかったが、試料Ｎｏ．39および試料Ｎｏ．40については、第１のセラミック焼結体および第２のセラミック焼結体のいずれにも接する結晶が確認された。

次に、試料Ｎｏ．39および試料Ｎｏ．40について、Ｘ線回折装置を用いて結晶の同定を行なった。その結果、試料Ｎｏ．39の接合層の外部における結晶はＹ_２Ｏ_３であり、試料Ｎｏ．40における結晶はＹ_２ＳｉＯ_７であった。

次に、各試料の熱伝導率を測定した。その結果、試料Ｎｏ．39および試料Ｎｏ．40は、試料Ｎｏ．38より熱伝導率が高く、中でも試料Ｎｏ．40の熱伝導率が最も高かった。この結果、接合層の外部において、第１のセラミック焼結体および第２のセラミック焼結体のいずれにも接する結晶が存在していることにより、セラミック接合体の熱伝導率を高めることができ、この結晶が、希土類元素および珪素を含む酸化物の結晶であることによって、さらに熱伝導性を高められることがわかった。

１：第１のセラミック焼結体
２：第２のセラミック焼結体
３：接合層
３ａ：外部
３ｂ：内部

Claims

第１のセラミック焼結体と第２のセラミック焼結体とが、希土類元素、珪素、アルミニウムおよびマグネシウムを含む酸化物からなる接合層を介して接合されてなり、前記接合層の内部における希土類元素を酸化物換算した含有量より、前記接合層の外部における希土類元素を酸化物換算した含有量が多いことを特徴とするセラミック接合体。
前記内部における各成分を酸化物換算した含有量は、前記内部を構成する成分を酸化物換算した合計１００質量％のうち、希土類元素が３５質量％以上４５質量％以下であり、珪素が３５質量％以上４５質量％以下であり、アルミニウムが１５質量％以上２５質量％以下であり、マグネシウムが０．１質量％以上１質量％以下であり、前記外部における希土類元素を酸化物換算した含有量は、前記外部を構成する成分を酸化物換算した合計１００質量％のうち、５６質量％以上６４質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック接合体。
前記外部に、前記第１のセラミック焼結体および前記第２のセラミック焼結体のいずれにも接する希土類元素を含む酸化物からなる結晶を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック接合体。
前記外部に、前記第１のセラミック焼結体および前記第２のセラミック焼結体のいずれにも接する希土類元素および珪素を含む酸化物からなる結晶を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック接合体。
前記接合層が、さらに窒素を含んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセラミック接合体。