JP7035726B2 - Ceramic laminate - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス膜が基材上に形成されており、セラミックス膜と基材の間の優れた接合力を有するセラミックス積層体に関する。 The present invention relates to a ceramic laminate in which a ceramic film is formed on a base material and has an excellent bonding force between the ceramic film and the base material.
優れた機械的特性、耐反応性、耐熱性、絶縁性、放熱性などを有するセラミックスを、金属、セラミックス、樹脂などの基材上に形成したセラミックス積層体は、耐磨耗性部材、耐食性部材、絶縁放熱部材などに幅広く用いられている。これら用途におけるセラミックス積層体の使用環境は過酷であり、セラミックス積層体には、使用中の様々な種類・大きさの応力の下でセラミックス膜と基材が剥離することなく強固に接合していること、つまり、高い接合力(接合強度)が求められる。 Ceramic laminates made by forming ceramics with excellent mechanical properties, reactivity resistance, heat resistance, insulation, heat dissipation, etc. on a base material such as metal, ceramics, and resin are wear-resistant members and corrosion-resistant members. , Widely used for insulating heat dissipation members. The usage environment of the ceramic laminate in these applications is harsh, and the ceramic film and the base material are firmly bonded to the ceramic laminate under stress of various types and sizes during use without peeling. That is, high bonding force (bonding strength) is required.
比較的高い接合力を有するセラミックス積層体を作製する方法として、セラミックス成膜法の1つであるエアロゾルデポジション法が挙げられる。エアロゾルデポジション法とは、セラミックス微粒子をガスと混合してエアロゾル化し、減圧された成膜室内で基材上に高速噴射することで、基材上に緻密なセラミックス膜を常温で形成する技術である。噴射されたセラミックス微粒子は、基材に衝突する際に、破砕しながら変形することで、微粒子/基材間あるいは微粒子/微粒子間の新生面同士の化学結合の形成および膜の緻密化が実現する。また、特に微粒子/基材間では、微粒子が基材表面を削り、めり込むことによって凹凸のアンカー結合を形成する。エアロゾルデポジション法による成膜では、以上の過程を経ることで緻密膜の形成および高い接合力を発現することができる。 As a method for producing a ceramic laminate having a relatively high bonding force, an aerosol deposition method, which is one of the ceramic film forming methods, can be mentioned. The aerosol deposition method is a technology that forms a dense ceramic film on a substrate at room temperature by mixing ceramic fine particles with gas to make it into an aerosol and injecting it onto the substrate at high speed in a depressurized film formation chamber. be. When the jetted ceramic fine particles collide with the base material, they are deformed while being crushed, thereby realizing the formation of chemical bonds between the fine particles / base material or between the fine particles / fine particles and the densification of the film. Further, particularly between the fine particles / the base material, the fine particles scrape the surface of the base material and dig into it to form an uneven anchor bond. In the film formation by the aerosol deposition method, a dense film can be formed and a high bonding force can be exhibited by going through the above processes.
このようなエアロゾルデポジション法を応用したセラミックス積層体の製造方法が種々開発されている(特許文献1~3参照)。
Various methods for manufacturing ceramic laminates to which such an aerosol deposition method is applied have been developed (see
特許文献1には、基材の硬度を高くすることによって、セラミックス微粒子が砕けやすくなり、成膜効率が上がることが開示されている。
特許文献2には、基材表面の表面粗さを特定の範囲内とすることで、セラミックス微粒子が基材表面の微小突起部で応力を受け、収縮に伴うせん断応力が緩和され、成膜効率が上がることが開示されている。
According to
特許文献3には、微粒子の硬さと基板表面の硬さとの比を特定の範囲内とすることによって、微粒子を粉砕させた状態で基板にめり込ませることができ、接合力および成膜効率が上がることが開示されている。
According to
しかし、特許文献1~3の方法で作製されるセラミックス積層体では、製造工程での成膜効率が重視されているため、セラミックス積層体のセラミックス膜と基材の間の界面形状および接合力については適切に制御されておらず、接合力が不十分であった。
However, in the ceramic laminates produced by the methods of
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、セラミックス積層体のセラミックス膜と基材の間の優れた接合力を有するセラミックス積層体を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a ceramic laminate having an excellent bonding force between a ceramic film of a ceramic laminate and a base material.
本発明のセラミックス積層体は、基材上にセラミックス膜が積層されたセラミックス積層体において、前記セラミックス積層体の断面に現れる前記セラミックス膜と前記基材との界面を、高波数成分と低波数成分とを含む曲線で表し、前記高波数成分の波長範囲λshortが0.1μm以上、前記セラミックス膜の結晶粒径の最大値Dmax以下であり、前記低波数成分の波長範囲λlongが、前記最大値Dmaxより大きく、10μm以下であり、前記曲線から算出された前記高波数成分の平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上であり、前記曲線から算出された前記低波数成分の平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3以上である。 The ceramics laminate of the present invention is a ceramics laminate in which a ceramics film is laminated on a substrate, and the interface between the ceramics film and the substrate that appears in the cross section of the ceramics laminate has a high wavenumber component and a low wavenumber component. The wavelength range λ short of the high wavenumber component is 0.1 μm or more, the maximum value D max or less of the crystal grain size of the ceramic film, and the wavelength range λ long of the low wavenumber component is the above. It is larger than the maximum value D max and is 10 μm or less, and the average power spectral density P high of the high wavenumber component calculated from the curve is 2 × 10-5 μm 3 or more, and the low wavenumber calculated from the curve. The average power spectral density P low of the components is 0.5 × 10 -3 μm 3 or more.
本発明は、高波数成分の平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上であり、低波数成分の平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3以上であるので、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する膜/基材界面の領域が大きく、アンカー効果を発揮する凹凸が多く存在し、優れた接合力を有するセラミックス積層体を実現することができる。 In the present invention, the average power spectral density Power of the high wavenumber component is 2 × 10 -5 μm 3 or more, and the average power spectral density Power of the low wavenumber component is 0.5 × 10 -3 μm 3 or more. A ceramic laminate having an excellent bonding force can be realized because the region of the film / base material interface where the unevenness exhibiting the anchor effect is present is large and there are many irregularities exhibiting the anchor effect.
(1)本発明の実施形態のセラミックス積層体の全体構成
図1Aは本発明の実施形態のセラミックス積層体1の膜厚方向の断面を示す概略図である。セラミックス積層体1は、基材2と、基材2上に積層されたセラミックス膜3とでなる。実際上、基材2は、例えば、板状、円柱状、円筒状などの部材でなり、基材2の外周表面全体あるいは一部にセラミックス膜3が形成されている。このようなセラミックス積層体1の膜厚方向の断面には、基材2とセラミックス膜3の膜/基材界面4が現れ、図1Aに示すように、膜/基材界面4が、緩やかな凹凸上に、小さな凹凸が形成された曲線となっている。
(1) Overall Configuration of Ceramic Laminates of the Embodiment of the Present Invention FIG. 1A is a schematic view showing a cross section of the
この膜/基材界面4での小さな凹凸は、製造工程でセラミックスが膜化する際などに形成され、セラミックス膜3を基材2に固定するアンカーとしての役割を果たし、アンカー効果を発揮する。また、膜/基材界面4での緩やかな凹凸は、凹凸自体はアンカー効果を発揮しないが、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域の総距離(すなわち、総表面積)を増加させ、膜/基材界面4上のアンカー効果を発揮する凹凸の数を増やし、基材2とセラミックス膜3との接合力を強める効果を発揮する。このように、セラミックス積層体1は、膜/基材界面4に緩やかな凹凸があるため、アンカー効果を発揮する小さな凹凸の数が多く、基材2とセラミックス膜3との間に優れた接合力を有する。
The small irregularities at the film /
基材2は、例えば、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、ステンレス、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、タングステン(W)、銀(Ag)、及び、これらを主体とする合金などの金属材料で形成されていることが好ましい。一般的に金属材料はセラミックスより硬度が低いので、基材2を金属材料とすることで、後述する製造工程で、セラミックスの結晶粒が金属材料にめり込みやすくなり、膜/基材界面4にアンカー効果を発揮する凹凸を形成しやすくなる。
The
また、金属材料は、セラミックス材料や樹脂材料などに比べて、研磨、エッチング、ブラスト、熱処理などの方法により、表面性状を調整しやすい。そのため、基材2を金属材料で形成することで、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域を増加させる凹凸を形成し易くなり、本実施形態のセラミックス積層体1の形態を作製しやすくなる。
Further, the surface texture of the metal material is easier to adjust by methods such as polishing, etching, blasting, and heat treatment than the ceramic material and the resin material. Therefore, by forming the
セラミックス膜3は、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si3N4)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、炭化珪素(SiC)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化珪素(SiO2)などのセラミックス材料でなる。
The
上記のように、セラミックス積層体1は、膜厚方向の断面に現れた膜/基材界面4が、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域を増加させる緩やかな凹凸上に、アンカー効果を発揮する小さな凹凸が形成された形態、すなわち、緩やかな凹凸と小さな凹凸とが重ね合わされた曲線状の形態である。そのため、当該小さな凹凸を図1Bに示す高波数(短波長)の波4aに対応させ、当該緩やかな凹凸を図1Bに示す低波数(長波長)の波4bに対応させると、曲線状の膜/基材界面4を、高波数の波4aと低波数の波4bとを重ね合わせた曲線z(x)(xは、面内方向の位置、zは、膜厚方向の位置(高さ))とみなすことができる。そこで、本実施形態では、膜/基材界面4を曲線z(x)とし、膜/基材界面4を撮像した画像から曲線z(x)を取得し、曲線z(x)から高波数の波4aの成分(高波数成分ともいう)と低波数の波4bの成分(低波数成分ともいう)とを分離して、膜/基材界面4の形態を評価する。なお、高波数の波4aと低波数の波4bは、それぞれ複数の波数成分を含んでいるが、図1Bでは、代表する1つの波数成分の波を示している。
As described above, in the
ここで、高波数の波4aは、図2Aに示すように、セラミックス膜3の結晶粒5の結晶粒径の最大値Dmax以下の波長λの波とする。このとき、高波数の波4aの波長λの下限は0.1μmとし、曲線z(x)に0.1μmより短い波長を有する波が含まれていたとしても、その波は高波数の波4aとみなさないこととする。したがって、高波数の波4aの波長範囲λshortは0.1μm≦λshort≦Dmaxとなる。例えば、セラミックス膜3の結晶粒径の最大値がDmax=0.4μmであったならば、高波数の波4aの波長範囲λshortは0.1μm≦λshort≦0.4μmとなる。
Here, as shown in FIG. 2A, the
一方、低波数の波4bは、図2Bに示すように、高波数の波4aの波長範囲λshortの上限よりも大きい波長λの波であり、その波長範囲λlongをDmax<λlong≦10μmとする。例えば、高波数の波4aの波長範囲λshortが0.1μm≦λshort≦0.4μmであったならば、低波数の波4bの波長範囲λlongは0.4μm<λlong≦10μmとなる。なお、波長が10μmを超える波は、対応する凹凸が微小領域においてはほぼ直線となるため、上記のようなアンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域の総距離(総表面積)を増加させる効果は有しない。そのため、波長範囲λlongの上限を10μmとしている。
On the other hand, the
つまり、セラミックス膜3と基材2の膜/基材界面4がなす曲線z(x)が、上記波長範囲λshortの高波数成分と、波長範囲λlong低波数成分とを含んでいれば、高波数の波4aと低波数の波4bの重ね合わせとなり、低波数の波4bに対応する凹凸が、アンカー効果を発揮する高波数の波4aに対応する凹凸が存在する領域の総距離を増加させるため、接合力が高いセラミックス積層体1とすることができる。
That is, if the curve z (x) formed by the film /
具体的には、セラミックス積層体1は、後述する方法で曲線z(x)から算出した高波数成分の平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上であり、なおかつ、低波数成分の平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3以上であることが望ましい。このようなセラミックス積層体1は、曲線z(x)が高波数の波4aと低波数の波4bとの重ね合わせとなり、低波数の波4bに対応する凹凸が、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域の総距離を増加させるため、接合力に優れている。
Specifically, in the
ここで、平均パワースペクトル密度Phighは、この値が所定値以上であれば、膜/基材界面4にアンカー効果を発揮する凹凸が形成されていることを意味する。平均パワースペクトル密度Plowは、膜/基材界面4にアンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域の総距離を増加させる凹凸が形成されていることを意味する。なお、平均パワースペクトル密度Phigh、Plowは、後述の「(3)曲線z(x)の取得方法」及び「(4)平均パワースペクトル密度の算出方法」で説明する方法により算出される。
Here, the average power spectral density High means that if this value is equal to or higher than a predetermined value, unevenness that exerts an anchor effect is formed on the film /
平均パワースペクトル密度Plowは、好ましくは、1×10-3μm3以上、さらに好ましくは、平均パワースペクトル密度Plowが3×10-3μm3以上である。平均パワースペクトル密度Plowを1×10-3μm3以上、さらには、平均パワースペクトル密度Plowが3×10-3μm3以上とすることで、低波数の波4bに対応する凹凸が、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域の総距離(総表面積)をさらに増加させるため、より接合力が高いセラミックス積層体1とすることができる。
The average power spectral density Power is preferably 1 × 10 -3 μm 3 or more, and more preferably the average power spectral density Power is 3 × 10 -3 μm 3 or more. By setting the average power spectral density Power to 1 × 10 -3 μm 3 or more and the average power spectral density Power to 3 × 10 -3 μm 3 or more, the unevenness corresponding to the low
一方、平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3より小さい値の場合、低波数の波4bに対応する凹凸が存在していても、アンカー効果を発揮する凹凸自体が少なくなるため、接合力が大幅に低減してしまう。また、平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3より小さい値の場合、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域の総距離が減少してしまうため、接合力が低減してしまう。
On the other hand, when the average power spectral density P high is smaller than 2 × 10 -5 μm 3 , even if the unevenness corresponding to the
さらに、セラミックス積層体1は、ガスと混合してエアロゾル化したセラミックス微粒子を基材2上に高速噴射して基材2上に緻密なセラミックス膜3を常温で形成できるエアロゾルデポジション法によりセラミックス膜3が形成されることが好ましい。エアロゾルデポジション法によりセラミックス膜3を形成することで、セラミックス微粒子が基材2に衝突して成膜現象が起きると同時に、セラミックス微粒子がめり込むことで形成され、セラミックス膜3の結晶粒径と同範囲の波長を有し、アンカー効果を発揮する凹凸(高波数の波4aに対応する凹凸)を膜/基材界面4に形成しやすくなる。
Further, the
(2)結晶粒径の最大値Dmaxの測定方法
セラミックス積層体1の膜厚方向の断面を撮像したSEM画像において、セラミックス膜3の結晶粒5を100個以上ランダムに選び、図3に示すように、各結晶粒5の面内方向の最大長さを測定する。測定した結晶粒5の最大長さ中の最大値を結晶粒径の最大値Dmaxとする。
(2) Method for measuring the maximum value D max of the crystal grain size In the SEM image obtained by capturing the cross section of the
(3)曲線z(x)の取得方法
セラミックス積層体1の膜/基材界面4が鮮明に撮影された膜厚方向の断面のSEM画像において、画像解析ソフトなどにより、膜/基材界面4の座標データ(x、z)を、面内方向(水平方向)にΔx=0.0212μmの間隔でN=1024個取得することで、曲線z(x)を得る。データ区間XはX=Δx×N=21.7088μmである。前記のように曲線z(x)を得るためには、用いるSEM画像は、1画素あたりの長さが0.0212μm以下、面内方向(水平方向)の画素数が1024画素以上である必要がある。なお、座標データの取得に際し、ある特定のxに対してzが複数以上得られる場合は、zが最大の座標を採用し、それ以外の座標は除去する。
(3) Acquisition method of curve z (x) In the SEM image of the cross section in the film thickness direction in which the film /
(4)平均パワースペクトル密度の算出方法
まず、曲線z(x)を以下の式(1)(2)(3)により離散フーリエ変換して、曲線z(x)のフーリエ変換Z(k)を得る。具体的には、式(1)に式(2)、式(3)、曲線z(x)を代入し、波数kごとに式(1)の演算し、Z(k)を算出する。
(4) Method for calculating average power spectral density First, the curve z (x) is discretely Fourier transformed by the following equations (1), (2) and (3), and the Fourier transform Z (k) of the curve z (x) is obtained. obtain. Specifically, the equation (2), the equation (3), and the curve z (x) are substituted into the equation (1), the equation (1) is calculated for each wave number k, and Z (k) is calculated.
次に、Z(k)を用いて、以下の式(4)により、パワースペクトル密度P(k)(μm3)を求める。パワースペクトル密度P(k)は、波数kの波のパワーを表す。図4に波数kとパワースペクトル密度P(k)の関係のグラフの概略図を示す。図4は、横軸が波数kで、縦軸がパワースペクトル密度P(k)である。 Next, using Z (k), the power spectral density P (k) (μm 3 ) is obtained by the following equation (4). The power spectral density P (k) represents the power of a wave having a wave number k. FIG. 4 shows a schematic diagram of the relationship between the wave number k and the power spectral density P (k). In FIG. 4, the horizontal axis is the wave number k, and the vertical axis is the power spectral density P (k).
最後に、上述の高波数成分の波長範囲λshortに対応する波数範囲khigh(khigh=1/λshort)、上述の低波数成分の波長範囲λlongに対応する波数範囲klow(klow=1/λlong)、それぞれの範囲内に含まれるP(k)を足し合わせ、それぞれの範囲内に含まれるP(k)の個数で合算結果を除すことにより、高波数成分のプレ平均パワースペクトル密度Phigh(p)と低波数成分のプレ平均パワースペクトル密度Plow(p)を算出する。この演算を、1つのセラミックス積層体1に対してSEM画像の撮像箇所を変えて3回行い、3組のプレ平均パワースペクトル密度Phigh(p)、Plow(p)を算出する。算出された3組のプレ平均パワースペクトル密度Phigh(p)、Plow(p)の平均値を算出し、算出した平均値をセラミックス積層体1の平均パワースペクトル密度Phigh(μm3)及び平均パワースペクトル密度Plow(μm3)とする。
Finally, the wavenumber range k high (k high = 1 / λ short ) corresponding to the wavelength range λ short of the high wave number component described above, and the wave number range k low (k low ) corresponding to the wavelength range λ long of the low wave number component described above. = 1 / λ long ), the pre-average of the high wavenumber component by adding the P (k) contained in each range and dividing the summing result by the number of P (k) contained in each range. The power spectral density P high (p) and the pre-average power spectral density P low (p) of the low wavenumber component are calculated. This calculation is performed three times for one
(5)本発明の実施形態のセラミックス積層体の製造方法
本発明のセラミックス積層体1の製造方法について説明する。セラミックス積層体の製造方法は、PVD法、CVD法、溶射法、コールドスプレー法、ゾルゲル法など、特に限定はしないが、例えば、ガスと混合してエアロゾル化したセラミックス微粒子を基材2上に高速噴射して基材2上にセラミックス膜3を形成するエアロゾルデポジション法が、緻密なセラミックス膜を常温で形成できる点で望ましい。また、エアロゾルデポジション法は、セラミックス微粒子が基材2に衝突して成膜現象が起きると同時に、セラミックス微粒子が基材2にめり込み、セラミックス膜3の結晶粒径と同範囲の波長を有する高波数の波4a、すなわち、結晶粒径と同程度の大きさで、アンカー効果を発揮する凹凸を膜/基材界面4に形成しやすくなる点で望ましい。以下、エアロゾルデポジション法を例にしてセラミックス積層体1の製造方法を説明する。
(5) Method for manufacturing
まずは一般的なセラミックス積層体の製造方法を説明する。セラミックス積層体は、例えば、図5に例示するエアロゾルデポジション装置11を用いて製造する。図5のエアロゾルデポジション装置11は、エアロゾル化容器12と、成膜室13と、エアロゾル搬送管14と、真空ポンプ15と、ガス供給系16とを備える。エアロゾル化容器12と成膜室13は、エアロゾル搬送管14によって接続されている。真空ポンプ15は、成膜室13に接続されており、成膜室13内を減圧し得る。ガス供給系16とエアロゾル化容器12は、搬送ガス配管18と巻上ガス配管19によって接続されている。
First, a general method for manufacturing a ceramic laminate will be described. The ceramic laminate is manufactured, for example, by using the aerosol deposition device 11 illustrated in FIG. The aerosol deposition device 11 of FIG. 5 includes an
エアロゾル化容器12には、容器内部にセラミックス粉末(セラミックス微粒子の粉末)17が収容されており、巻上ガス配管19からセラミックス粉末17内にN2ガスまたはHeガスが巻上ガスとして供給され、エアロゾル化容器12内部空間にも搬送ガス配管18からN2ガスまたはHeガスが搬送ガスとして供給され得る。なお、エアロゾル化容器12には、セラミックス粉末17を攪拌するための振動機構(図示せず)と、セラミックス粉末17を乾燥するための加熱機構(図示せず)とが設けられている。
The
成膜室13の内部には、エアロゾル搬送管14のノズル口に対して、基材固定面が対向するようにステージ20が設けられている。基材2は、ステージ20の当該基材固定面に固定され得る。ステージ20には、ステージ20を動かすことでエアロゾルが基材2に当たる位置を変え、エアロゾルを基材2表面に繰り返し吹き付けるための水平駆動機構21が設けられている。
Inside the
以上のような構成を有したエアロゾルデポジション装置11では、ガス供給系16からエアロゾル化容器12内に巻上ガス配管19を通じてN2ガスまたはHeガスを供給し、セラミックス微粒子を含むエアロゾルをエアロゾル化容器12内に生成する。このとき、エアロゾルデポジション装置11は、搬送ガス配管18を通じてエアロゾル化容器12内にN2ガスまたはHeガスを供給し、供給されたN2ガスまたはHeガスにより、エアロゾル化容器12内のエアロゾルを、エアロゾル搬送管14を通じて成膜室13に供給する。
In the aerosol deposition device 11 having the above configuration, N2 gas or He gas is supplied from the
成膜室13では、真空ポンプ15により減圧された成膜室13内において、エアロゾル搬送管14のノズル口からステージ20に固定された基材2に向けてエアロゾルが噴射され得る。この際、エアロゾルデポジション装置11は、水平駆動機構21によってステージ20を水平方向(図5中の矢印の方向)に往復移動させ、エアロゾル搬送管14のノズル口から噴射されたエアロゾルを、基材2の表面上に繰り返し吹き付けさせる。
In the
エアロゾルデポジション装置11は、エアロゾルを基材2の表面に噴射してゆき、基材2にセラミックス微粒子を衝突させることで、セラミックス微粒子を運動エネルギーによって破砕、変形させる。そして、粒子/基材間あるいは粒子/粒子間の新生面同士の化学結合の形成及び膜の緻密化が行われ、加えて、粒子/基材間では、セラミックス微粒子が基材表面を削り、セラミックス微粒子が基材2にめり込むことによってアンカー効果を発揮する凹凸が形成されたセラミックス積層体が作製される。
The aerosol deposition device 11 injects aerosol onto the surface of the
エアロゾルデポジション装置11を用いたエアロゾルデポジション法によるセラミックス膜3の成膜においては、成膜するセラミックス材料それぞれに対して最適な成膜条件が存在する。そのなかでも特に、原料粉末であるセラミックス粉末17の粒子径の効果が大きく、最適な粒子径のセラミックス微粒子を含む原料粉末を用いて成膜しなければ成膜現象を起こすことができない。例えば、粒子径が大きすぎる場合、セラミックス微粒子が破砕・変形せずに、ブラストのように基材2を削り取ってしまい、成膜されない。粒子径が小さすぎる場合、セラミックス微粒子がガスに追従してしまうことにより、基材2にセラミックス微粒子が衝突しなくなり、成膜されない。
In the film formation of the
一般的に、エアロゾルデポジション法で成膜が可能なセラミックス微粒子の粒子径は、数100nm~数μmである。しかし、これはセラミックス材料の種類によって異なり、粒子径が、上記粒子径範囲の中で、大きい方がよいもの、逆に小さい方がよいものがあったりし得る。したがって、当然、成膜後のセラミックス膜3の結晶粒径(=成膜に寄与するセラミックス微粒子の粒子径)もセラミックス材料の種類によって異なるということになる。また、以上のことから、一般的には、前記の最適な粒子径のセラミックス微粒子がなるべく多い割合で含まれる原料粉末を用いることが、原料粉末の歩留や成膜速度の面から望ましいとされている。
Generally, the particle size of the ceramic fine particles that can be formed by the aerosol deposition method is several hundred nm to several μm. However, this differs depending on the type of ceramic material, and in the above particle size range, there may be cases where a large particle size is better and conversely a small particle size is better. Therefore, naturally, the crystal grain size of the
しかし、以上で説明したようなエアロゾルデポジション法を用いて、成膜に寄与する最適粒子径のセラミックス微粒子からなる粉末を、単純にそのまま用いて成膜しても、膜/基材界面4に高波数の波4aに対応する凹凸が形成されるだけで、波数の波4bに対応する凹凸が形成されないため、本実施形態のセラミックス積層体1を得ることはできない。膜/基材界面4がなす曲線z(x)が高波数の波4aと低波数の波4bの重ね合わせとなっている、つまり、曲線z(x)の高波数成分の平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上であり、なおかつ、低波数成分の平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3以上、好ましくは1×10-3μm3以上、さらに好ましくは3×10-3μm3以上であるセラミックス積層体1を製造するためには、例えば以下のような方法を用いる必要がある。
However, even if a powder made of ceramic fine particles having an optimum particle size that contributes to film formation is simply used as it is to form a film by using the aerosol deposition method as described above, the film /
エアロゾルデポジション法のみによって製造する場合、エアロゾルデポジション法によってセラミックス膜を形成する際に、成膜に寄与する粒子径のセラミックス微粒子を含む粉末のみを用いるのではなく、低波数の波4b(低波数成分)の波長範囲λlongと同範囲の粒子径のセラミックス微粒子を含む粉末を混合した原料粉末を用いて成膜を行う必要がある。これにより、成膜と同時に、高波数の波4aに対応する凹凸と低波数の波4bに対応する凹凸の両方を形成させることができる。λlongと同範囲の粒子径のセラミックス微粒子を含む粉末は、粒子径が大きい粒子が多く含まれるほど低波数の波4bに対応する凹凸を形成しやすいが、粒子径が大きい粒子が多すぎると、歩留の低下や、基材や膜が削られてしまう恐れが出てくるため、λlongと同範囲の粒子径のセラミックス微粒子を含む粉末のメディアン径は3μmより小さいことが望ましい。
When manufacturing by the aerosol deposition method alone, when forming the ceramic film by the aerosol deposition method, not only the powder containing the ceramic fine particles of the particle size that contributes to the film formation is used, but the
また、セラミックス積層体1は、成膜前の基材2の表面性状をあらかじめ調整して低波数の波4bに対応する凹凸(波長範囲λlongに基づいた凹凸)を設けておき、当該凹凸が除去されないように、エアロゾルデポジション法を用いて、高波数の波4aに対応する凹凸を形成しながら、セラミックス膜3を形成してもよい。成膜前の基材の表面性状を調整する方法としては、研磨、エッチング、ブラスト、熱処理などの方法が挙げられるが、適切な条件および組み合わせで行うことが重要である。
Further, the
例えば、基材2表面にブラストを施す場合、目的の低波数の波4bの波長範囲λlongと同じ粒子径範囲の微粒子のみが含まれる粉末を用いる必要がある。波長範囲λlong外の粒子径の微粒子が含まれる粉末を用いてブラストを行うと、成膜時に成膜現象を阻害してしまったり、接合力を増加させられなかったりする恐れがある。また、例えば、エッチングを行う場合、あらかじめ基材2の結晶粒径を熱処理などで目的の低波数(長波長)の波4bの波長範囲λlongと同等にしてからエッチングを行う、あるいは、基材表面に目的の低波数(長波長)の波4bの波長範囲λlongと同等の間隔でキズをつけてからエッチングを行うなどの工夫が必要なこともある。
For example, when blasting the surface of the
以上のような方法を用いることで、曲線z(x)の高波数成分の平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上であり、なおかつ、低波数成分の平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3以上、好ましくは1×10-3μm3以上、さらに好ましくは3×10-3μm3以上である本発明のセラミックス積層体1を製造することができる。
By using the above method, the average power spectral density P high of the high wavenumber component of the curve z (x) is 2 × 10 -5 μm 3 or more, and the average power spectral density P low of the low wavenumber component. It is possible to produce the
(6)作用及び効果
以上の構成において、本発明のセラミックス積層体1は、基材2上にセラミックス膜3が積層されており、セラミックス積層体1の断面に現れるセラミックス膜3と基材2との界面(膜/基材界面4)を、高波数成分と低波数成分とを含む曲線z(x)で表し、高波数成分の波長範囲λshortが0.1μm以上、セラミックス膜3の結晶粒径の最大値Dmax以下であり、低波数成分の波長範囲λlongが、最大値Dmaxより大きく、10μm以下であり、曲線z(x)から算出された高波数成分の平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上であり、曲線z(x)から算出された低波数成分の平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3以上であるように構成した。
(6) Action and Effect In the above configuration, in the
本発明のセラミックス積層体1は、高波数成分の平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上であり、低波数成分の平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3以上であるので、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する膜/基材界面の領域が大きく、アンカー効果を発揮する凹凸が多く存在し、優れた接合力を有することができる。
In the
(7)検証試験
本実施形態のセラミックス積層体1を作製し、セラミックス積層体1の基材2とセラミックス膜3との接合力を評価した。ここでは、作製したセラミックス積層体1のセラミックス膜3上に、直径φ4.1mmのエポキシ接着剤付ピンを立て、150℃で1h加熱することによりピンをセラミックス膜3に接着し、セラミックス積層体1を押さえながら、接着したピンを引張試験機で膜厚方向に引っ張り、破断した際の応力を測定することにより、セラミックス積層体1の接合力を評価した。
(7) Verification test The
(実施例1)
実施例1では、セラミックス粉末17として、最小粒子径0.1μm、最大粒子径0.4μm、メディアン径0.2μmのα‐Al2O3粉末Aに、最小粒子径0.4μm、最大粒子径10μm、メディアン径2μmのα‐Al2O3粉末Bを、粉末Bの混合量が全体の50wt%となるように添加した混合粉末(α‐Al2O3粉末Aの重量:α‐Al2O3粉末Bの重量=1:1)を用い、基材2として、事前に研磨を施した無酸素Cu基材を用い、上記の「(5)本発明の実施形態のセラミックス積層体の製造方法」で説明したエアロゾルデポジション装置11によって基材2上にセラミックス膜3を形成し、セラミックス積層体1を作製した。
(Example 1)
In Example 1, as the
このとき、巻上ガスおよび搬送ガスとしてはN2ガスを用い、搬送ガス流量と巻上ガス流量の合計を8L/minとした。エアロゾル搬送管14先端のノズル口は5×0.3mm、基材2の法線とノズルの角度は30°、基材2を固定したステージ20の水平方向の繰り返し駆動数は20回(20積層)とした。成膜中の成膜室13内の圧力は70Paとした。
At this time, N 2 gas was used as the hoisting gas and the hoisting gas, and the total of the transport gas flow rate and the hoisting gas flow rate was set to 8 L / min. The nozzle opening at the tip of the
このようにして作製した実施例1のセラミックス積層体1を膜厚方向に切断し、現れた膜厚方向の断面を鏡面研磨し、FE‐SEM(ULTRA 55、Carl Zeiss)により、セラミックス膜3の断面を倍率×50000で観察してSEM画像を取得した。取得したSEM画像から、セラミックス膜3の結晶粒を100個ランダムに選び、各結晶粒の面内方向の最大長さを測定したところ、それらの中の最大値DmaxはDmax=0.4μmであった。この結果から、実施例1のセラミックス積層体1における高波数の波4aの波長範囲λshortは0.1μm≦λshort≦0.4μm、低波数の波4bの波長範囲λlongは0.4μm<λlong≦10μmと定めた。ここで、セラミックス膜3の結晶粒径から、α‐Al2O3粉末Aとα‐Al2O3粉末Bの混合粉末に含まれる微粒子のうち、α‐Al2O3粉末B由来の微粒子の大半は成膜に寄与しておらず、最適粒子径であるα‐Al2O3粉末A及び粉末Bのごく一部由来の微粒子が成膜に寄与して膜化しているといえる。
The
FE‐SEMを用いて、倍率×5000で、実施例1のセラミックス積層体1の断面に現れた膜/基材界面4を観察してSEM画像を取得した。膜/基材界面4の形状を鮮明にするため、観察時の加速電圧は5kVと低く設定した。取得した倍率×5000のSEM画像は、1画素あたりの長さが0.0212μm、面内方向(水平方向)の画素数が1024画素である。前記SEM画像について、画像解析ソフト(Image‐Pro Premier、(株)日本ローパー)を用いて、膜/基材界面4をトレースし、面内方向(水平方向)にΔx=0.0212μmの間隔でN=1024個の座標データ(x、z)を取得し、曲線z(x)を得た。得られた曲線z(x)について、「(4)平均パワースペクトル密度の算出方法」で説明した方法により、パワースペクトル密度P(k)を求めた。求めたパワースペクトル密度P(k)について、先ほど定めた波長範囲から算出した高波数の波4aの波数範囲1/0.4=2.5μm-1≦1/λshort=khigh≦1/0.1=10μm-1、低波数の波4bの波数範囲1/10=0.1μm-1≦1/λlong=klow<1/0.4=2.5μm-1を用いて、高波数成分のプレ平均パワースペクトル密度Phigh(p)と低波数成分のプレ平均パワースペクトル密度Plow(p)を算出した。これらの作業を別視野の2枚のSEM画像に対しても実施し、計3組のプレ平均パワースペクトル密度Phigh(p)、Plow(p)を算出し、それらを平均して、実施例1の平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを求めると、平均パワースペクトル密度Phigh=4×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=1×10-3μm3であった。
Using FE-SEM, the film /
また、成膜前の基材2と比較するために、セラミックス膜3が形成されていない場所の基材2の表面も同様にして平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=0.4×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=0.4×10-3μm3であった。このことから、成膜時にα‐Al2O3粉末A由来の最小粒子径0.1μm、最大粒子径0.4μmの粒子が基材にめり込みながら膜化したことによりPhighが成膜前から増加し、加えて、混合粉末に成膜に寄与しないα‐Al2O3粉末B由来の微粒子が含まれており、当該微粒子が基材2をへこませたりすることによりPlowも成膜前から増加したと考えられる。
Further, in order to compare with the
実施例1のセラミックス積層体1の接合力を評価した結果、セラミックス積層体1のセラミックス膜3が剥がれてピンがとれたが、破断応力は50MPaであった。実施例1のセラミックス積層体1は、破断応力が50MPaであるので、接合力を○と評価した。
As a result of evaluating the bonding force of the
(実施例2)
実施例2では、セラミックス粉末17として最小粒子径0.1μm、最大粒子径0.4μm、メディアン径0.2μmのα‐Al2O3粉末Aを用い、基材2として事前に熱処理を施して表面の結晶粒を成長させた無酸素Cu基材を用いて、実施例1と同様の方法により、セラミックス積層体1を作製した。
(Example 2)
In Example 2, α - Al 2 O3 powder A having a minimum particle diameter of 0.1 μm, a maximum particle diameter of 0.4 μm, and a median diameter of 0.2 μm was used as the
また、作製した実施例2のセラミックス積層体1について、実施例1と同様の方法でDmaxを算出したところ、Dmax=0.4μmであった。この結果から、実施例2のセラミックス積層体1における高波数の波4aの波長範囲λshortは0.1μm≦λshort≦0.4μm、低波数の波4bの波長範囲λlongは0.4μm<λlong≦10μmと定めた。
Further, when the D max was calculated for the
実施例1と同様にして、実施例2のセラミックス積層体1のパワースペクトル密度P(k)を求めた。求めたパワースペクトル密度P(k)について、先ほど定めた波長範囲から算出した高波数の波4aの波数範囲1/0.4=2.5μm-1≦1/λshort=khigh≦1/0.1=10μm-1、低波数の波4bの波数範囲1/10=0.1μm-1≦1/λlong=klow<1/0.4=2.5μm-1を用いて、平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=4×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=1×10-3μm3であった。
In the same manner as in Example 1, the power spectral density P (k) of the
また、成膜前の基材2と比較するために、セラミックス膜3が形成されていない場所の基材2の表面も同様にして平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、Phigh=0.4×10-5μm3、Plow=1×10-3μm3であった。このことから、成膜時にα‐Al2O3粉末Aに含まれる微粒子が基材にめり込みながら膜化したことによりPhighは成膜前から増加したが、Plowは成膜前から変化しなかったことがわかる。このように、低波数の波4bに対応する凹凸が事前に形成されていることがわかる。
Further, in order to compare with the
実施例2のセラミックス積層体1の接合力を評価した結果、セラミックス積層体1のセラミックス膜3が剥がれてピンがとれたが、破断応力は50MPaと、実施例1と同等であった。実施例2のセラミックス積層体1は、破断応力が50MPaであるので、接合力を○と評価した。
As a result of evaluating the bonding force of the
(実施例3)
実施例3として、セラミックス粉末17として、実施例1と同様にα‐Al2O3粉末Aとα‐Al2O3粉末Bとの混合粉末(α‐Al2O3粉末Aの重量:α‐Al2O3粉末Bの重量=1:1)を用い、基材2として、事前にキズをつけた後にエッチングを施した無酸素Cu基材を用い、実施例1と同様の方法でセラミックス積層体1を作製した。
(Example 3)
As Example 3, as the
また、作製した実施例3のセラミックス積層体1について、実施例1と同様の方法でDmaxを算出したところ、Dmax=0.4μmであった。この結果から、実施例3のセラミックス積層体1における高波数の波4aの波長範囲λshortは0.1μm≦λshort≦0.4μm、低波数の波4bの波長範囲λlongは0.4μm<λlong≦10μmと定めた。
Further, when the D max was calculated for the prepared
実施例1と同様にして、実施例3のセラミックス積層体1のパワースペクトル密度P(k)を求めた。求めたパワースペクトル密度P(k)について、先ほど定めた波長範囲から算出した高波数の波4aの波数範囲1/0.4=2.5μm-1≦1/λshort=khigh≦1/0.1=10μm-1、低波数の波4bの波数範囲1/10=0.1μm-1≦1/λlong=klow<1/0.4=2.5μm-1を用いて、平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=6×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=3×10-3μm3であった。
In the same manner as in Example 1, the power spectral density P (k) of the
また、成膜前の基材2と比較するために、セラミックス膜3が形成されていない場所の基材2の表面も同様にして平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=1×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=1×10-3μm3であった。このことから、成膜時にα‐Al2O3粉末A由来の最小粒子径0.1μm、最大粒子径0.4μmの粒子が基材2にめり込みながら膜化したことにより平均パワースペクトル密度Phighが成膜前から増加し、加えて、混合粉末に成膜に寄与しないα‐Al2O3粉末B由来の微粒子が含まれており、当該微粒子が基材2をへこませたりすることにより平均パワースペクトル密度Plowも成膜前から増加したと考えられる。
Further, in order to compare with the
実施例3のセラミックス積層体1の接合力を評価した結果、セラミックス積層体1のセラミックス膜3は剥がれずにピンがとれており、かつ、破断応力は60MPaと、接合力が実施例1と実施例2に比べて大きいことが確認できた。実施例3のセラミックス積層体1は、破断応力が60MPaであるので、接合力を◎と評価した。
As a result of evaluating the bonding force of the
(実施例4)
実施例4では、セラミックス粉末17として、最小粒子径0.05μm、最大粒子径0.3μm、メディアン径0.2μmのβ‐Si3N4粉末Cに最小粒子径0.3μm、最大粒子径6μm、メディアン径1μmのβ‐Si3N4粉末Dを混合割合が80wt%となるように添加した混合粉末(β‐Si3N4粉末Cの重量:β‐Si3N4粉末Dの重量=1:4)を用い、基材2として、事前に研磨を施した無酸素Cu基材を用い、搬送ガス流量と巻上ガス流量の合計は10L/min、成膜中の成膜室13内の圧力は360Paとし、他の条件は実施例1と同様にしてセラミックス積層体1を作製した。
(Example 4)
In Example 4, the
また、作製した実施例4のセラミックス積層体1について、実施例1と同様の方法でDmaxを算出したところ、Dmax=0.3μmであった。この結果から、実施例4のセラミックス積層体1における高波数の波4aの波長範囲λshortは0.1μm≦λshort≦0.3μm、低波数の波4bの波長範囲λlongは0.3μm<λlong≦10μmと定めた。
Further, when D max was calculated for the prepared
実施例1と同様にして、実施例4のセラミックス積層体1のパワースペクトル密度P(k)を求めた。求めたパワースペクトル密度P(k)について、先ほど定めた波長範囲から算出した高波数の波4aの波数範囲1/0.3=3.3μm-1≦1/λshort=khigh≦1/0.1=10μm-1、低波数の波4bの波数範囲1/10=0.1μm-1≦1/λlong=klow<1/0.3=3.3μm-1を用いて、平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=2×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=0.5×10-3μm3であった。
In the same manner as in Example 1, the power spectral density P (k) of the
また、成膜前の基材2と比較するために、セラミックス膜3が形成されていない場所の基材2の表面も同様にして平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=0.4×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=0.4×10-3μm3であった。このことから、成膜時にβ‐Si3N4粉末C由来の最小粒子径0.05μm、最大粒子径0.3μmの粒子が基材2にめり込みながら膜化したことによりPhighが成膜前から増加し、加えて、混合粉末に成膜に寄与しないβ‐Si3N4粉末D由来の微粒子が含まれており、当該微粒子が基材2をへこませたりすることによりPlowも成膜前から増加したと考えられる。
実施例4のセラミックス積層体1の接合力を評価した結果、セラミックス積層体1のセラミックス膜3が剥がれてピンがとれたが、破断応力は40MPaであった。実施例4のセラミックス積層体1は、破断応力が40MPaであるので、接合力を△と評価した。
Further, in order to compare with the
As a result of evaluating the bonding force of the
(実施例5)
実施例5では、セラミックス粉末17として最小粒子径0.05μm、最大粒子径0.3μm、メディアン径0.2μmのβ‐Si3N4粉末Cに最小粒子径0.3μm、最大粒子径6μm、メディアン径1μmのβ‐Si3N4粉末Dを混合割合が80wt%となるように添加した混合粉末(β‐Si3N4粉末Cの重量:β‐Si3N4粉末Dの重量=1:4)を用い、基材2として、事前に研磨を施した無酸素Cu基材を用い、搬送ガス流量と巻上ガス流量の合計は10L/min、成膜中の成膜室13内の圧力は36Paとし、他の条件は実施例1と同様にして、セラミックス積層体1を作製した。
(Example 5)
In Example 5, the minimum particle diameter of the
また、作製した実施例5のセラミックス積層体1について、実施例1と同様の方法でDmaxを算出したところ、Dmax=0.3μmであった。この結果から、実施例5のセラミックス積層体1における高波数の波4aの波長範囲λshortは0.1μm≦λshort≦0.3μm、低波数の波4bの波長範囲λlongは0.3μm<λlong≦10μmと定めた。
Further, when D max was calculated for the prepared
実施例1と同様にして、実施例5のセラミックス積層体1のパワースペクトル密度P(k)を求めた。求めたパワースペクトル密度P(k)について、先ほど定めた波数範囲から算出した高波数の波4aの波数範囲1/0.3=3.3μm-1≦1/λshort=khigh≦1/0.1=10μm-1、低波数の波4bの波数範囲1/10=0.1μm-1≦1/λlong=klow<1/0.3=3.3μm-1を用いて、平均パワースペクトル密度Phigh、平均パワースペクトル密度Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=4×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=1×10-3μm3であった。
In the same manner as in Example 1, the power spectral density P (k) of the
また、成膜前の基材2と比較するために、セラミックス膜3が形成されていない場所の基材2の表面も同様にして平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=0.4×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=0.4×10-3μm3であった。このことから、成膜時にβ‐Si3N4粉末C由来の最小粒子径0.05μm、最大粒子径0.3μmの粒子が基材にめり込みながら膜化したことにより平均パワースペクトル密度Phighが成膜前から増加し、加えて、混合粉末に成膜に寄与しないβ‐Si3N4粉末D由来の最小粒子径0.3μm、最大粒子径6μmの粒子が含まれており、当該微粒子が基材2をへこませたりすることによりPlowも成膜前から増加したと考えられる。
Further, in order to compare with the
実施例5のセラミックス積層体1の接合力を評価した結果、セラミックス積層体1のセラミックス膜3が剥がれてピンがとれたが、破断応力は50MPaと、実施例1と同程度であった。実施例5のセラミックス積層体1は、破断応力が50MPaであるので、接合力を○と評価した。
As a result of evaluating the bonding force of the
実施例1~5と比較するために、低波数の波4bに対応する凹凸が形成されないように作製した比較例1のセラミックス積層体と、高波数の波4aに対応する凹凸(アンカー効果を発揮する凹凸)が形成されないように作製した比較例2のセラミックス積層体とについても、接合力を実施例1~5と同様の方法で評価した。
In order to compare with Examples 1 to 5, the ceramic laminate of Comparative Example 1 prepared so as not to form the unevenness corresponding to the
(比較例1)
比較例1では、セラミックス粉末17として、最小粒子径0.1μm、最大粒子径0.4μm、メディアン径0.2μmのα‐Al2O3粉末Aを用いて、基材2として、事前に研磨を施した無酸素Cu基材を用いて、実施例1と同様の方法でセラミックス積層体を作製した。比較例1では、基材を事前に処理したり、上記のα‐Al2O3粉末Bを混合したりしないことで、低波数の波4bに対応する凹凸が形成されないようにしている。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, α-Al 2 O 3 powder A having a minimum particle diameter of 0.1 μm, a maximum particle diameter of 0.4 μm, and a median diameter of 0.2 μm was used as the
また、作製した比較例1のセラミックス積層体について、実施例1と同様の方法でDmaxを算出したところ、Dmax=0.4μmであった。この結果から、比較例1のセラミックス積層体における高波数の波4aの波長範囲λshortは0.1μm≦λshort≦0.4μm、低波数(長波長)の波4bの波長範囲λlongは0.4μm<λlong≦10μmと定めた。
Further, when the D max was calculated for the produced ceramic laminate of Comparative Example 1 by the same method as in Example 1, it was found that D max = 0.4 μm. From this result, in the ceramic laminate of Comparative Example 1, the wavelength range λ short of the
実施例1と同様にして、比較例1のセラミックス積層体のパワースペクトル密度P(k)を求めた。求めたパワースペクトル密度P(k)について、先ほど定めた波長範囲から算出した高波数の波4aの波数範囲1/0.4=2.5μm-1≦1/λshort=khigh≦1/0.1=10μm-1、低波数の波4bの波数範囲1/10=0.1μm-1≦1/λlong=klow<1/0.4=2.5μm-1を用いて、平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=4×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=0.4×10-3μm3であった。
In the same manner as in Example 1, the power spectral density P (k) of the ceramic laminate of Comparative Example 1 was determined. With respect to the obtained power spectrum density P (k), the wavenumber range of the
また、成膜前の基材2と比較するために、セラミックス膜3が形成されていない場所の基材2の表面も同様にして平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=0.4×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=0.4×10-3μm3であった。このことから、成膜時に最小粒子径0.1μm、最大粒子径0.4μmのα‐Al2O3粉末Aの粒子が基材にめり込みながら膜化したことによりPhighは成膜前から増加したが、Plowは成膜前から変化しなかったと考えられる。
Further, in order to compare with the
比較例1のセラミックス積層体の接合力を評価した結果、セラミックス膜3が剥がれてピンがとれ、破断応力も20MPaと、実施例1~5のいずれよりも低かった。比較例1のセラミックス積層体は、破断応力が20MPaであるので、接合力を×と評価した。
As a result of evaluating the bonding force of the ceramic laminate of Comparative Example 1, the
(比較例2)
比較例2では、セラミックス粉末17として、最小粒子径0.1μm、最大粒子径0.4μm、メディアン径0.2μmのα‐Al2O3粉末Aを用いて、基材2として事前にキズをつけた後にエッチングを施した超硬合金基材を用い、実施例1と同様の方法で、セラミックス積層体を作製した。比較例2では、基材2として超硬合金基材を用いることで、成膜時にセラミックス微粒子が基材2にめり込みにくくし、高波数の波4aに対応する凹凸が形成されないようにしている。一方で、事前に基材2にキズをつけた後、エッチングを施すことで、基材2に低波数の波4bに対応する凹凸を形成している。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, α-Al 2 O 3 powder A having a minimum particle diameter of 0.1 μm, a maximum particle diameter of 0.4 μm, and a median diameter of 0.2 μm was used as the
また、作製した比較例2のセラミックス積層体について、実施例1と同様の方法でDmaxを算出したところ、Dmax=0.4μmであった。この結果から、比較例2のセラミックス積層体における高波数の波4aの波長範囲λshortは0.1μm≦λshort≦0.4μm、低波数の波4bの波長範囲λlongは0.4μm<λlong≦10μmと定めた。
Further, when the D max was calculated for the produced ceramic laminate of Comparative Example 2 by the same method as in Example 1, it was found that D max = 0.4 μm. From this result, the wavelength range λ short of the high
実施例1と同様にして、比較例2のセラミックス積層体のパワースペクトル密度P(k)を求めた。求めたパワースペクトル密度P(k)について、先ほど定めた波長範囲から算出した高波数の波4aの波数範囲1/0.4=2.5μm-1≦1/λshort=khigh≦1/0.1=10μm-1、低波数の波4bの波数範囲1/10=0.1μm-1≦1/λlong=klow<1/0.4=2.5μm-1を用いて、平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=1×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=1×10-3μm3であった。
In the same manner as in Example 1, the power spectral density P (k) of the ceramic laminate of Comparative Example 2 was determined. With respect to the obtained power spectrum density P (k), the wavenumber range of the
また、成膜前の基材2と比較するために、セラミックス膜3が形成されていない場所の基材2の表面も同様にして平均パワースペクトル密度Phigh、Plowを算出したところ、平均パワースペクトル密度Phigh=1×10-5μm3、平均パワースペクトル密度Plow=1×10-3μm3であった。このことから、成膜時に最小粒子径0.1μm、最大粒子径0.4μmのα‐Al2O3粉末Aの粒子が基材にめり込まずに膜化したことによりPhighは成膜前から変化しなかった、また、Plowも成膜前から変化しなかったと考えられる。
Further, in order to compare with the
比較例2のセラミックス積層体の接合力を評価した結果、セラミックス膜が剥がれてピンがとれ、破断応力は20MPaと、実施例1~5のいずれよりも低かった。比較例2のセラミックス積層体は、破断応力が20MPaであるので、接合力を×と評価した。 As a result of evaluating the bonding force of the ceramic laminate of Comparative Example 2, the ceramic film was peeled off and the pin was removed, and the breaking stress was 20 MPa, which was lower than that of Examples 1 to 5. Since the ceramic laminate of Comparative Example 2 has a breaking stress of 20 MPa, the bonding force was evaluated as x.
実施例1~5のセラミックス積層体と、比較例1、2のセラミックス積層体の平均パワースペクトル密度Phigh、Plowと接合力の評価結果とを、表1に示す。 Table 1 shows the average power spectral densities of the ceramic laminates of Examples 1 to 5 and the ceramic laminates of Comparative Examples 1 and 2 High , Plow , and the evaluation results of the bonding force.
このように、実施例1~5のセラミックス積層体1は、比較例1、2のセラミックス積層体より接合力が優れることが確認できた。実施例1~5のセラミックス積層体1は、平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上、なおかつ、平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3以上であるため、アンカー効果を発揮する高波数の波4aに対応する凹凸が存在し、なおかつ、低波数の波4bに対応する凹凸が存在するため、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域の総距離(総表面積)が大きくなったからであると考えられる。セラミックス積層体1は、セラミックス膜が、α‐Al2O3であっても、β‐Si3N4であっても接合力が高いことが確認できた。
As described above, it was confirmed that the
実施例1~3、5のセラミックス積層体1は、実施例4のセラミックス積層体1より接合力が優れている。実施例1~3、5のセラミックス積層体1は、平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上、なおかつ、平均パワースペクトル密度Plowが1×10-3μm3以上であるため、アンカー効果を発揮する高波数の波4aに対応する凹凸が存在し、なおかつ、実施例4より平均パワースペクトル密度Plowが大きいため、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域の総距離(総表面積)が実施例4より大きくなったためと考えられる。
The
特に、実施例3のセラミックス積層体1は、他の実施例と比較しても接合力に優れている。実施例3のセラミックス積層体1は、平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上、なおかつ、平均パワースペクトル密度Plowが3×10-3μm3以上であるため、アンカー効果を発揮する高波数の波4aが存在し、なおかつ、他の実施例より平均パワースペクトル密度Plowが大きいため、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域の総距離(総表面積)がさらに大きくなったためと考えられる。
In particular, the
比較例1のセラミックス積層体は、平均パワースペクトル密度Phighは2×10-5μm3以上であるが、平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3未満であるため、アンカー効果を発揮する凹凸が存在する領域の総距離(総表面積)が小さい。そのため、比較例1のセラミックス積層体は、接合力が実施例1~5よりも低いと考えられる。 The ceramic laminate of Comparative Example 1 has an average power spectral density P high of 2 × 10 -5 μm 3 or more, but an average power spectral density P low of less than 0.5 × 10 -3 μm 3 and thus is an anchor. The total distance (total surface area) of the area where the unevenness that exerts the effect exists is small. Therefore, it is considered that the ceramic laminate of Comparative Example 1 has a lower bonding force than Examples 1 to 5.
比較例2のセラミックス積層体は、平均パワースペクトル密度Plowは0.5×10-3μm3以上であるが、平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3未満であるため、アンカー効果を発揮する凹凸自体が少ない。そのため、比較例2のセラミックス積層体は、接合力が実施例1~5よりも低いと考えられる。 The ceramic laminate of Comparative Example 2 has an average power spectral density P low of 0.5 × 10 -3 μm 3 or more, but an average power spectral density P high of less than 2 × 10 -5 μm 3 and is therefore an anchor. There are few irregularities that are effective. Therefore, it is considered that the ceramic laminate of Comparative Example 2 has a lower bonding force than Examples 1 to 5.
1 セラミックス積層体
2 基材
3 セラミックス膜
4 膜/基材界面
4a 高波数(短波長)の波
4b 低波数(長波長)の波
5 セラミックス膜の結晶粒
λshort 高波数(短波長)の波の波長範囲
λlong 低波数(長波長)の波の波長範囲
Dmax 結晶粒径の最大値
P(k) パワースペクトル密度
k 波数
khigh 高波数(短波長)の波の波数範囲
klow 低波数(長波長)の波の波数範囲
11 エアロゾルデポジション装置
12 エアロゾル化容器
13 成膜室
14 エアロゾル搬送管
15 真空ポンプ
16 ガス供給系
17 セラミックス粉末
18 搬送ガス配管
19 巻上ガス配管
20 ステージ
21 水平駆動機構
1
Claims (4)
前記セラミックス積層体の断面に現れる前記セラミックス膜と前記基材との界面を、高波数成分と低波数成分とを含む曲線で表し、
前記高波数成分の波長範囲λshortが0.1μm以上、前記セラミックス膜の結晶粒径の最大値Dmax以下であり、
前記低波数成分の波長範囲λlongが前記最大値Dmaxより大きく、10μm以下であり、
前記曲線から算出された前記高波数成分の平均パワースペクトル密度Phighが2×10-5μm3以上であり、
前記曲線から算出された前記低波数成分の平均パワースペクトル密度Plowが0.5×10-3μm3以上である
ことを特徴とするセラミックス積層体。 In a ceramic laminate in which a ceramic film is laminated on a substrate,
The interface between the ceramic film and the base material appearing on the cross section of the ceramic laminate is represented by a curve including a high wave number component and a low wave number component.
The wavelength range λ short of the high wave number component is 0.1 μm or more, and the maximum value D max or less of the crystal grain size of the ceramic film.
The wavelength range λ long of the low wavenumber component is larger than the maximum value D max and 10 μm or less.
The average power spectral density P high of the high frequency component calculated from the curve is 2 × 10 -5 μm 3 or more.
A ceramic laminate having an average power spectral density P low of 0.5 × 10 -3 μm 3 or more of the low wavenumber component calculated from the curve.
ことを特徴とする請求項1に記載のセラミックス積層体。 The ceramic laminate according to claim 1, wherein the average power spectral density P low of the low wavenumber component is 1 × 10 -3 μm 3 or more.
ことを特徴とする請求項1に記載のセラミックス積層体。 The ceramic laminate according to claim 1, wherein the average power spectral density Plow of the low wavenumber component is 3 × 10 -3 μm 3 or more.
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載のセラミックス積層体。 The ceramic laminate according to any one of claims 1 to 3, wherein the base material is a metal material.
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