燃焼合成法によるセラミックス-金属の瞬間接合とその機構

異種材料、特にセラミックスと金属のように熱膨張係数が著しく異なる材料の接合に関して、瞬間接合という概念は、従来の接合技術の常識から反しており、極めて受け入れられ難い。例えば真空ろう付け法の場合、徐冷というかたちでセラミックスと金属の接合界面に発生する応力を軽減・吸収してきた。従って、その接合過程には長時間を要する。本研究では、燃焼合成反応の典型的な特徴である瞬間的な高熱量放出を利用して、ろう付け接合に応用することを考えた。従来のように冷却過程で系の熱平衡を保ちつつ、その接合界面での応力緩和を促進させる方法ではなく、単発的に発生した高熱量の非熱平衡過程を充分活用して、応力発生を抑制するプロセスの検討である。研究した要素は次の3つである。1)熱源としての燃焼合成反応、2)セラミックスと金属の組合せ、3)接合機構、ろう材は市販のものを用いた。二色赤外放射温度計・高速ビデオカメラなどを使い熱源としての燃焼合成反応(Ti-C系)の定常条件を検討した。特に安定な燃焼波を発生させるための要因を明かにし、被接合体への物理的な振動を最小限に抑えるための要件を調べた。また、被接合体の片側である金属と燃焼合成反応剤の間の熱拡散状態などを高速応答性熱電対-記録計システムを用いて計測後、コンピュータにより解析した。セラミックスのなかで熱膨張係数が比較的小さい材料の一つであるダイヤモンド(焼結ダイヤモンドを含む)、アルミナ、窒化アルミニウムなどと金属との接合実験を実施し、その接合強度を測定した。特にダイヤモンドと熱膨張係数が比較的大きいハイス鋼合金との接合せん断強度は、約300MPaを超えた。この場合、接合界面での反応層は炭化チタンであることがSEM・EDS・ESCAによりわかった。最後に研究代表者らは、瞬間に発生する高熱量が非平均的にセラミックス・ろう材・金属に供給されたとき、次のような接合プロセスの可能性を着想した。その超急冷に近い冷却過程で、溶融した共晶化合物であるろう材は過冷却液体になり、金属がある程度収縮した後に溶融ろう材が凝固する。このためセラミックスと金属の接合界面で発生する応力が比較的抑制され、セラミックスが破壊することなく瞬間接合が実現するのである。

異種材料、特にセラミックスと金属のように熱膨張係数が著しく異なる材料の接合に関して、瞬間接合という概念は、従来の接合技術の常識から反しており、極めて受け入れられ難い。例えば真空ろう付け法の場合、徐冷というかたちでセラミックスと金属の接合界面に発生する応力を軽減・吸収してきた。従って、その接合過程には長時間を要する。本研究では、燃焼合成反応の典型的な特徴である瞬間的な高熱量放出を利用して、ろう付け接合に応用することを考えた。従来のように冷却過程で系の熱平衡を保ちつつ、その接合界面での応力緩和を促進させる方法ではなく、単発的に発生した高熱量の非熱平衡過程を充分活用して、応力発生を抑制するプロセスの検討である。研究した要素は次の3つである。1)熱源としての燃焼合成反応、2)セラミックスと金属の組合せ、3)接合機構、ろう材は市販のものを用いた。二色赤外放射温度計・高速ビデオカメラなどを使い熱源としての燃焼合成反応(Ti-C系)の定常条件を検討した。特に安定な燃焼波を発生させるための要因を明かにし、被接合体への物理的な振動を最小限に抑えるための要件を調べた。また、被接合体の片側である金属と燃焼合成反応剤の間の熱拡散状態などを高速応答性熱電対-記録計システムを用いて計測後、コンピュータにより解析した。セラミックスのなかで熱膨張係数が比較的小さい材料の一つであるダイヤモンド(焼結ダイヤモンドを含む)、アルミナ、窒化アルミニウムなどと金属との接合実験を実施し、その接合強度を測定した。特にダイヤモンドと熱膨張係数が比較的大きいハイス鋼合金との接合せん断強度は、約300MPaを超えた。この場合、接合界面での反応層は炭化チタンであることがSEM・EDS・ESCAによりわかった。最後に研究代表者らは、瞬間に発生する高熱量が非平均的にセラミックス・ろう材・金属に供給されたとき、次のような接合プロセスの可能性を着想した。その超急冷に近い冷却過程で、溶融した共晶化合物であるろう材は過冷却液体になり、金属がある程度収縮した後に溶融ろう材が凝固する。このためセラミックスと金属の接合界面で発生する応力が比較的抑制され、セラミックスが破壊することなく瞬間接合が実現するのである。