接合體及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及接合體及其制造方法，特別是高熔點金屬和碳材料的接合體及其制造 方法。
【背景技術】
[0002] CFC(碳纖維強化碳復合材料）或石墨材料等的碳材料具有即使在3000°C以上的 高溫下也不熔融、與金屬相比因熱產生的變形少這樣的優(yōu)點?？紤]到這些，提出了將在CFC 或石墨上接合有冷卻管（銅合金或不銹鋼）的接合體用于核聚變裝置的偏濾器板的方案 (參照下述專利文獻1)。但是，存在碳材料因等離子體而損耗、或再堆積這樣的問題。因此， 探討使用鎢以代替CFC。但是，鎢存在重量大、加工性差等的問題。
[0003] 因此，提出了使用將鎢等高熔點金屬材料和碳材料接合而成的接合體的方案。但 是，鎢等的熔點高，而且兩者間存在熱膨脹差，因此通常難以將兩者接合。考慮到這樣的情 況，提出了以下所述的2種解決方法。
[0004] (1)使用焊料，將高熔點金屬材料和碳材料接合的方法（參照下述專利文獻2)。
[0005] (2)通過CVD (化學氣相成長法）、PVD (物理氣相成長法）等，在碳材料的表面形 成鎢層（高熔點金屬材料層）的方法。
[0006] 現(xiàn)有技術文獻
[0007] 專利文獻
[0008] 專利文獻1 :日本特開平10 - 90453號公報
[0009] 專利文獻2 :日本特開2000 - 313677號公報

【發(fā)明內容】

[0010] 發(fā)明所要解決的課題
[0011] 但是，在（1)記載的方法中，存在如下課題：金屬相對于碳材料的沾潤性缺乏，因 此兩者的接合困難，并且由于高熔點金屬材料與碳材料的熱膨脹率差而產生應力集中，變 得容易破損。
[0012] 另外，在（2)記載的方法中，存在如下課題：就鎢層的厚度而言，數(shù)百μ m左右是極 限，難以形成厚的鎢層。
[0013] 本發(fā)明的主要目的在于提供一種新的接合體及其制造方法。
[0014] 用于解決課題的方法
[0015] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種碳材料層和金屬層接合而成的結構的接合 體，在上述碳材料層與上述金屬層之間形成有含有陶瓷和燒結助劑的接合層，上述碳材料 層、上述接合層和上述金屬層通過燒結法而接合。
[0016] 發(fā)明效果
[0017] 根據(jù)本發(fā)明，能夠發(fā)揮增大金屬層的厚度、并容易地實現(xiàn)金屬層和碳材料層的接 合、并且能夠抑制接合體的破損的優(yōu)異的效果。
【附圖說明】
[0018] 圖1是接合體A1、A2、Z的照片，圖1(a)是接合體Al的外觀照片，圖1(b)是接合 體A2的外觀照片，圖1(c)是接合體Z的外觀照片。
[0019] 圖2是接合體Al的破斷面的照片。
[0020] 圖3是接合體Al的SEM照片，圖3 (a)是研磨面的照片，圖3 (b)是破斷面的照片。
[0021] 圖4是表示本發(fā)明的接合體的制造工序的圖，圖4(a)是表示在碳材料的一個面上 配置了接合材料和金屬材料的狀態(tài)（疊層體）的說明圖，圖4(b)是表示燒制后的狀態(tài)（接 合體）的說明圖。
[0022] 圖5是接合體Bl的結構示意圖。
[0023] 圖6是接合體Bl的截面SEM照片、以及表示該截面SEM照片中的W、Si、C的各元 素的面分析結果的照片。
[0024] 圖7是接合體B3的截面SEM照片、以及表示該截面SEM照片中的W、Si、C的各元 素的面分析結果的照片。
[0025] 圖8是接合體Bl~M的X射線衍射圖。
[0026] 圖9是表示接合體Bl和B2的接合機理的說明圖。
[0027] 圖10是表示接合體B3和M的接合機理的說明圖。
【具體實施方式】
[0028] 本發(fā)明為碳材料層和金屬層接合而成的結構的接合體，在上述碳材料層與上述金 屬層之間形成有含有陶瓷和燒結助劑的接合層，上述碳材料層、上述接合層和上述金屬層 通過燒結法而接合。
[0029] 如果碳材料層、含有陶瓷及燒結助劑的接合層、和金屬層通過燒結法而接合，碳材 料層和金屬層就會被牢固地接合，因此能夠抑制在碳材料層與金屬層的接合界面產生龜 裂、剝離等。另外，因為使用燒結法進行接合，所以能夠增大金屬層的厚度，而且能夠容易地 實施金屬層和碳材料層的接合。并且，由于存在含有陶瓷的接合層，能夠抑制碳材料層的碳 擴散到金屬層，因此能夠長時間維持接合力。
[0030] 除此以外，接合體的彎曲強度提高。例如，作為碳材料層，使用東洋炭素制的碳纖 維復合材料[商品名：CX2002U]時，該碳纖維復合材料的3點彎曲強度約為47MPa。相對于 此，將在上述碳纖維復合材料（CX2002U)上接合有鎢的接合體（鎢的厚度約為1mm、碳纖維 復合材料的厚度為3. 6mm)加工成寬度3. 19mm、厚度4. 6mm(鶴的厚度約為1mm、碳纖維復合 材料的厚度為3. 6mm)的試驗片尺寸，使碳纖維復合材料側為上（壓縮面）、使鎢側為下（拉 伸面），將支點間距離設為15mm時的3點彎曲強度為60MPa。這樣，通過在碳纖維復合材料 (碳材料）上接合鎢（金屬），彎曲強度飛躍性地提高。
[0031] 上述碳材料層的碳材料優(yōu)選包括碳纖維復合材料、各向同性石墨、具有各向異性 的石墨材料或金屬含浸石墨材料。但是，不限定于這些。
[0032] 在使用SiC作為上述陶瓷時，上述接合層的厚度優(yōu)選為10 μ m以上150 μ m以下。
[0033] 在接合層的厚度低于10 μ m時，在碳材料層與接合層的接合中，SiC不能充分進入 碳材料層。因此，不能充分發(fā)揮錨定效果，可能導致接合不充分。另一方面，在接合層的厚 度超過150 μ m時，由于線膨脹系數(shù)的差異等使得熱應力增大，可能導致耐熱沖擊性減弱或 者容易產生破裂。另外，也有導熱性降低的危險。
[0034] 但是，接合層（陶瓷層）的厚度不限定于上述厚度，因所使用的陶瓷的種類而有所 不同。例如，在使用AlN作為陶瓷時，接合層（陶瓷層）的厚度優(yōu)選為30μπι以上500μπι 以下。在使用AlN進行接合時，與使用上述SiC進行接合時的接合機理不同，優(yōu)選控制在該 范圍內。使用AlN的接合機理是利用燒結助劑的浸透的接合，因此在低于30 μ m時，燒結 助劑量過少，不能接合。因此，使接合層的厚度為30 μ m以上。由于通過這樣的原理而接 合，所以形成接合層的原材料中所含的燒結助劑的量優(yōu)選控制在3maSS%以上，更優(yōu)選控制 在5mass%以上30mass%以下（另外，在使用SiC作為陶瓷時，形成接合層的原材料中所含 的燒結助劑的量優(yōu)選控制在3ma SS%以上20maSS%以下）。另外，將接合層的厚度控制在 500 μ m以下是為了抑制熱傳導的降低和熱應力的增加。
[0035] 另外，在用作核聚變爐的偏濾器板等時，由于作為高熱流設備使用，所以希望除熱 能力高（導熱系數(shù)高）。因此，就作為中間層的接合層而言，從防止成為導熱的障礙的觀點 出發(fā)，接合層越薄越好。但是，在接合層過薄時，接合強度降低、或者碳材料層的碳擴散到金 屬層。因此，接合層的厚度不論接合層所使用的材料種類如何，優(yōu)選為10 μ m以上500 μ m 以下。
[0036] 在上述碳材料層與上述接合層的界面，優(yōu)選上述接合層進入碳材料層的組織內 5 μ m以上。
[0037] 由此，能夠發(fā)揮令人滿意的錨定效果。
[0038] 優(yōu)選上述碳材料層由碳纖維復合材料構成