脆性材料－金屬結(jié)構(gòu)體的制作方法

專利名稱：脆性材料－金屬結(jié)構(gòu)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脆性材料-金屬結(jié)構(gòu)體。
背景技術(shù)：
陶瓷材料、金屬陶瓷材料和玻璃材料，耐熱性、耐磨耗性和耐腐蝕性優(yōu)異，具有即使在不能使用金屬材料或有機(jī)材料的苛刻環(huán)境下，也能夠充分使用這樣的優(yōu)異性質(zhì)，但是由于基本上是硬、脆的脆性材料，因此機(jī)械加工困難，實(shí)質(zhì)上成本會增加，所使用的領(lǐng)域受到限制。
另外，關(guān)于在限定部位使用陶瓷材料、金屬陶瓷材料或玻璃材料，以改善與其他金屬材料等的組合使用情況，降低整個成本的研究也正在進(jìn)行，但是硬且脆的脆性材料這種性質(zhì)是災(zāi)難性的，在與其他材料的組合部位由于熱膨脹差異等產(chǎn)生應(yīng)力，多數(shù)情況會導(dǎo)致破損，從而使用領(lǐng)域被限定在極其狹窄的范圍。
為了解決上述問題，以往嘗試了各種脆性材料和金屬的復(fù)合化。例如在特許登錄編號1809176號中，為了接合陶瓷和A1部件，提出通過熱膨脹系數(shù)介于兩者中間的鐵系部件和中間金屬體來緩和熱應(yīng)力的陶瓷-金屬復(fù)合材料。
另外，在特許登錄編號2050428號中，提出了通過夾著特定組成的中間復(fù)合層接合陶瓷母材和金屬母材，而得到的耐熱沖擊性高、可靠性優(yōu)異、且高壽命的陶瓷和金屬的接合制品。

發(fā)明內(nèi)容
但是，如特許登錄編號1809176號、2050428號所記載的以往的陶瓷和金屬的復(fù)合材料，由于需要熱膨脹系數(shù)介于兩者中間的材料，所以中間材料的種類受到限制，并且工藝也復(fù)雜，導(dǎo)致成本也高。進(jìn)而，產(chǎn)生的應(yīng)力總體上與不夾有中間材料的情況是同等的，實(shí)用上存在問題。
本發(fā)明的課題在于提供可靠性高、成本上也便宜的脆性材料和金屬的復(fù)合體。
本發(fā)明的課題在于提供可以氣密地密封脆性材料、并且對熱循環(huán)或腐蝕性物質(zhì)的可靠性高的結(jié)構(gòu)。
第一方式涉及的發(fā)明，使金屬部件的形狀為板狀，從金屬部件的厚度方向的兩側(cè)壓接夾持脆性材料并固定。通過限定金屬材料的厚度和脆性材料的厚度的相對值，由脆性材料和金屬材料的物性差(主要是熱膨脹系數(shù)、硬度和楊氏模量等)所引起的應(yīng)力，即使是壓接夾持工序后，在伴隨著溫度變化的使用條件下，也會主要由金屬材料的塑性和彈性變形被緩和吸收。
根據(jù)本發(fā)明，板狀金屬材料的厚度方向的兩側(cè)由于被熱膨脹系數(shù)同等或者相同的脆性材料壓接夾持，因此幾乎不會產(chǎn)生脆性材料間的應(yīng)力，金屬材料中產(chǎn)生的應(yīng)力對稱于金屬材料的厚度中心而成大致等價的應(yīng)力分布；進(jìn)而由于與脆性材料相比厚度非常薄，因此產(chǎn)生的應(yīng)力會由金屬材料的塑性變形被緩和。從而，即使是壓接夾持工序后，在伴隨著溫度變化的使用條件下，也不會產(chǎn)生金屬材料折斷、開裂或者產(chǎn)生大的變形等致命的損傷。
另外，第一方式涉及的發(fā)明中，連接著被脆性材料壓接夾持的夾持部而設(shè)有非夾持部。由于非夾持部與脆性材料獨(dú)立存在，與脆性材料沒有相互作用，因此完全不會由于與脆性材料的物性差而產(chǎn)生應(yīng)力。
進(jìn)而，由于非夾持部的形狀可以與夾持部獨(dú)立選定，因此利用該部分通過熔接、釬焊、機(jī)械連接法，可以基本上不受限制地與其他金屬部件一體化。
金屬部件間的連接方法是已經(jīng)確立的極其廣泛的實(shí)用的技術(shù)。從而，通過與本發(fā)明組合，可以將陶瓷和玻璃等迄今使用范圍被限定的材料與其他各種形態(tài)的金屬部件自由地一體化，在極大地擴(kuò)大使用范圍方面可以說是劃時代的。
在第一方式中，優(yōu)選通過埋設(shè)在脆性材料中而壓接夾持板狀金屬片。
脆性材料為陶瓷的情況，板狀金屬片一般在成形階段被埋入成形體中，然后進(jìn)行燒成，通過伴隨著燒結(jié)的收縮而壓接夾持。另外，脆性材料為玻璃的情況，將板狀金屬片插入熔融的玻璃中，并直接冷卻熔融玻璃，從而通過冷卻時的收縮，板狀金屬片被壓接夾持。
本發(fā)明中，在板狀金屬片的夾持部和脆性材料的接觸界面所產(chǎn)生的應(yīng)力通過板狀金屬片的變形被緩和。在夾持部和脆性材料的接觸界面所產(chǎn)生的應(yīng)力由例如以下原因而產(chǎn)生。假定金屬材料的熱膨脹系數(shù)為α1、楊氏模量為E1、脆性材料的熱膨脹系數(shù)為α2、楊氏模量為E2。將金屬材料埋設(shè)在脆性材料中，在燒結(jié)溫度T1壓接夾持，并冷卻至室溫時，兩者完全沒有變形，并且在界面也沒有產(chǎn)生滑動的情況，金屬側(cè)的生成應(yīng)力σ1如下式所表示。
σ1∝E1×(T1-室溫)×(α1-α2) (1)同樣脆性材料側(cè)的生成應(yīng)力σ2如下式所表示。
σ2∝E2×(T1-室溫)×(α2-α1) (2)以鉬和氧化鋁的組合為例，由于鉬的熱膨脹系數(shù)約為5ppm/℃，楊氏模量約為330GPa，氧化鋁的熱膨脹系數(shù)約為8ppm/℃，楊氏模量約為360GPa，因此例如在燒結(jié)溫度為1500℃且冷卻至室溫時，如果在鉬側(cè)完全沒有塑性變形，則在鉬側(cè)產(chǎn)生約1500MPa的壓縮應(yīng)力。同樣，在氧化鋁側(cè)會產(chǎn)生約1600MPa的拉伸應(yīng)力。
該應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出各材料的強(qiáng)度，通常對于這樣的脆性材料和金屬的結(jié)構(gòu)體在界面會產(chǎn)生破壞，其是不可能實(shí)現(xiàn)的。
但是，金屬中產(chǎn)生屈服應(yīng)力以上的應(yīng)力時，會發(fā)生塑性變形。此時直至破壞的變形大小用伸長率表示，一般地伸長率取幾％～幾十％這樣非常大的值。
在本發(fā)明中，通過使金屬材料側(cè)針對陶瓷材料相對薄壁化，設(shè)計成僅在金屬側(cè)產(chǎn)生屈服應(yīng)力以上的應(yīng)力并發(fā)生塑性變形，來緩和由熱膨脹差產(chǎn)生的應(yīng)力。
例如將鉬形成為100μm厚度的薄板，將氧化鋁形成為厚度10mm的塊時，鉬薄板變形而緩和應(yīng)力所需的鉬側(cè)的應(yīng)變可以用式(3)表示。
∈＝(T1-室溫)×(α1-α2)～0.5％ (3)在厚度方向的變形量為Δt＝∈×t～0.5μm(4)，以非常小的變形就可以緩和應(yīng)力。
取鉑和氧化鋁的組合為例，由于鉑的熱膨脹系數(shù)約為9ppm/℃，楊氏模量約為170GPa，氧化鋁的熱膨脹系數(shù)約為8ppm/℃，楊氏模量約為360GPa，因此例如在燒結(jié)溫度為1500℃且冷卻至室溫時，如果在鉑側(cè)完全沒有塑性變形，則在鉑側(cè)產(chǎn)生約250MPa的拉伸應(yīng)力。同樣，在氧化鋁側(cè)會產(chǎn)生約530MPa的壓縮應(yīng)力。
此時如果也將鉑形成為100μm厚度的薄板，將氧化鋁形成為厚度10mm的塊時，則鉑薄板變形而緩和應(yīng)力時所需的鉑側(cè)的應(yīng)變用式(3)表示約為0.1％。在鉑側(cè)對于壓接夾持面方向產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，但是只要產(chǎn)生其深度方向的0.1％的變形就可以緩和拉伸應(yīng)力。要是10mm的壓接夾持深度，其僅為10μm。
這樣在脆性材料和金屬材料的結(jié)構(gòu)體中主要由兩者的熱膨脹差所產(chǎn)生的應(yīng)力起因于約1％或1％以下的變形。另一方面，金屬材料的屈服強(qiáng)度小于拉伸強(qiáng)度，直至達(dá)到其斷裂的伸長率為幾％～幾十％大小，因此即使使金屬材料側(cè)的厚度相對于脆性材料厚度薄，僅在金屬側(cè)產(chǎn)生屈服應(yīng)力以上的應(yīng)力而發(fā)生塑性變形，來緩和熱膨脹差，其變形量也會在伸長率值以內(nèi)，而不會破壞金屬材料。另外，通過金屬材料變形，在脆性材料側(cè)產(chǎn)生的應(yīng)力也被緩和，可以實(shí)現(xiàn)脆性材料和金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。關(guān)于一體化存在各種方法，使用利用燒成收縮而一體化這樣的需要高溫下的熱操作的方法時，金屬材料根據(jù)高溫蠕變等變形也可以緩和應(yīng)力。
在第一方式中優(yōu)選在事先準(zhǔn)備的由脆性材料構(gòu)成的內(nèi)側(cè)支持體的表面用各種方法預(yù)先固定板狀金屬片，通過嵌合包圍內(nèi)側(cè)支持體周圍的形狀的由脆性材料構(gòu)成的外側(cè)支持體，板狀金屬片被壓接夾持。此時，內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體的材料優(yōu)選熱膨脹系數(shù)相同的同一材料，但是只要熱膨脹系數(shù)相近，也可以選擇不同的材料。
對于該實(shí)施方式，在下面描述外側(cè)支持體的嵌合方法。
外側(cè)支持體為陶瓷的情況，事先分別準(zhǔn)備內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體作為燒結(jié)前的成形體，通過同時燒結(jié)在其間設(shè)置了板狀金屬片的組合體，利用伴隨著燒結(jié)的收縮可以壓接夾持。通過針對板狀金屬片的形狀進(jìn)行研究，設(shè)置內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體直接接觸的部分，可以形成內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體實(shí)質(zhì)上一體化而氣密性更優(yōu)異的密封結(jié)構(gòu)。
如果使內(nèi)側(cè)支持體為事先燒結(jié)過的燒結(jié)體，使外側(cè)支持體為成形體而進(jìn)行燒結(jié)，則根據(jù)伴隨著外側(cè)支持體的燒結(jié)的收縮作用，可以更緊密地嵌合。此時，通過與上述的成形體間的組合同樣地，針對板狀金屬片的形狀進(jìn)行研究，設(shè)置內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體直接接觸的部分，也可以形成內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體實(shí)質(zhì)上一體化而氣密性優(yōu)異的密封結(jié)構(gòu)。
內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體均為燒結(jié)體的情況，通過使外側(cè)支持體的溫度為高于內(nèi)側(cè)支持體的溫度，對保持在低溫的內(nèi)側(cè)支持體和臨時固定在其表面的板狀金屬片加熱嵌入外側(cè)支持體，可以壓接夾持。
外側(cè)支持體為玻璃的情況，通過用熔融的玻璃包圍事先準(zhǔn)備的內(nèi)側(cè)支持體和預(yù)先固定在其表面的板狀金屬片的周圍，在玻璃熔融固化后形成外側(cè)支持體，從而板狀金屬片被壓接夾持。此時，通過與上述的成形體間的組合同樣地，針對板狀金屬片的形狀進(jìn)行研究，設(shè)置內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體直接接觸的部分，也可以形成內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體實(shí)質(zhì)上一體化而氣密性優(yōu)異的密封結(jié)構(gòu)。
在第一方式涉及的發(fā)明中，優(yōu)選脆性材料選自由玻璃、陶瓷、單晶材料和金屬陶瓷構(gòu)成的組中。
作為上述玻璃，可以例示石英玻璃、硅酸鋁玻璃、硼硅酸玻璃、二氧化硅-氧化鋁-鋰系結(jié)晶玻璃等。
作為上述陶瓷，例如可以例示對鹵系腐蝕性氣體具有耐腐蝕性的陶瓷，特別優(yōu)選為氧化鋁、氧化釔、釔-鋁石榴石、氮化鋁、氮化硅、碳化硅。另外，也可以是由這些物質(zhì)中的任意一種構(gòu)成的單晶。
作為金屬陶瓷，可以例示作為氧化鋁、氧化釔、釔-鋁石榴石、氮化鋁這樣的陶瓷和鉬、鎢、鉿、錸等金屬的復(fù)合物的金屬陶瓷。
在第一方式中，優(yōu)選板狀金屬片的兩側(cè)的各脆性材料的熱膨脹系數(shù)差為小于等于2ppm，特別優(yōu)選為小于等于1ppm。最優(yōu)選兩者的熱膨脹系數(shù)相同。通過如此調(diào)節(jié)兩者的熱膨脹系數(shù)，可以進(jìn)一步提高本發(fā)明的脆性材料-金屬結(jié)構(gòu)體對熱循環(huán)的穩(wěn)定性、可靠性。
在第一方式中，優(yōu)選板狀金屬片的厚度為小于等于1000μm，特別優(yōu)選為小于等于200μm。這樣通過使板狀金屬片為薄板狀，可以根據(jù)板狀金屬片的變形而減少在板狀金屬和脆性材料間產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)體的氣密性。但是，如果板狀金屬片過薄，反而作為板狀金屬片的結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度會不足，因此板狀金屬片的厚度優(yōu)選為大于等于20μm，更優(yōu)選為大于等于50μm。
在第一方式中，優(yōu)選外側(cè)支持體的厚度為大于等于0.1mm。由此，可以使從外側(cè)支持體對板狀金屬片在徑向上施加的壓力足夠大，可以進(jìn)一步提高兩者的氣密性。從該角度考慮，更優(yōu)選使外側(cè)支持體的厚度大于等于0.3mm。該實(shí)施方式當(dāng)通過外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體的燒成收縮差而壓接密封板狀金屬片時特別適宜。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，當(dāng)板狀金屬片的最小厚度為t時，在夾持部的最小壓接長度為大于等于10t，在非夾持部的所述板狀金屬片的最小長度為大于等于5t，在板狀金屬片的最小厚度方向的脆性材料的最小厚度為大于等于5t。由此，可以得到可靠性、板狀金屬片的拉伸強(qiáng)度特別高的結(jié)構(gòu)體。
第二方式涉及的發(fā)明為脆性材料-金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，以由脆性材料構(gòu)成的管狀部為外側(cè)支持體，具有設(shè)置在該外側(cè)支持體的內(nèi)側(cè)的由脆性材料構(gòu)成的管軸向長度比外側(cè)支持體短的導(dǎo)管狀內(nèi)側(cè)支持體、以及夾在外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體之間的板狀金屬片，并且具有外側(cè)支持體和板狀金屬片直接接觸，板狀金屬片和內(nèi)側(cè)支持體直接接觸，進(jìn)而外側(cè)支持體和導(dǎo)管狀內(nèi)側(cè)支持體直接接觸的部分。
另外，第二方式涉及的發(fā)明為脆性材料-金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，以由脆性材料構(gòu)成的管狀部為內(nèi)側(cè)支持體，具有設(shè)置在該內(nèi)側(cè)支持體的外側(cè)的由脆性材料構(gòu)成的管軸向長度比內(nèi)側(cè)支持體短的外側(cè)支持體、以及夾在外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體之間的板狀金屬片，并且具有內(nèi)側(cè)支持體和板狀金屬片直接接觸，板狀金屬片和外側(cè)支持體直接接觸，進(jìn)而內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體直接接觸的部分。
根據(jù)第二方式涉及的發(fā)明，具有由脆性材料構(gòu)成的管狀部、設(shè)置在該管狀部的外側(cè)的由脆性材料構(gòu)成的外側(cè)支持體、以及夾在管狀部和外側(cè)支持體之間的板狀金屬片，使管狀部和板狀金屬片直接接觸，板狀金屬片和外側(cè)支持體直接接觸。這樣的結(jié)構(gòu)由于不需要以往結(jié)構(gòu)中所必需的熔合材料或粘合材料，因此強(qiáng)度的可靠性高，耐腐蝕性也優(yōu)異，也可以提高氣密密封性能。
第三方式涉及的發(fā)明為結(jié)構(gòu)體，其特征在于，具有由陶瓷或金屬陶瓷構(gòu)成的第一部分、由陶瓷或金屬陶瓷構(gòu)成的第二部分、夾在第一部分和第二部分之間的板狀金屬片，板狀金屬片由第一部分和第二部分被壓接，并被氣密地密封。
根據(jù)第三方式涉及的發(fā)明，具有由陶瓷或金屬陶瓷構(gòu)成的第一部分、由陶瓷或金屬陶瓷構(gòu)成的第二部分、夾在第一部分和第二部分之間的板狀金屬片，板狀金屬片由第一部分和第二部分被壓接。由此，通過陶瓷或金屬陶瓷壓接金屬材料，優(yōu)選可以提供氣密地密封的新結(jié)構(gòu)。已知以往在玻璃容器的端部開口插入金屬箔，再使玻璃軟化變形，利用金屬箔進(jìn)行氣密密封的所謂收縮密封。但是，使用像陶瓷或金屬陶瓷這樣的難以軟化變形的材料用金屬材料進(jìn)行氣密密封的方法并沒有公開。
在第二方式涉及的發(fā)明中，優(yōu)選脆性材料選自由玻璃、陶瓷和金屬陶瓷構(gòu)成的組中。另外，第三方式涉及的發(fā)明中，脆性材料為陶瓷或者金屬陶瓷。
作為上述玻璃，可以例示石英玻璃、硅酸鋁玻璃、硼硅酸玻璃、二氧化硅-氧化鋁-鋰系結(jié)晶玻璃等。
作為上述陶瓷，例如可以例示對鹵系腐蝕性氣體具有耐腐蝕性的陶瓷，特別優(yōu)選為氧化鋁、氧化釔、釔-鋁石榴石、氮化鋁、氮化硅、碳化硅。
作為金屬陶瓷，可以例示作為氧化鋁、氧化釔、釔-鋁石榴石、氮化鋁這樣的陶瓷和鉬、鎢、鉿、錸等金屬的混合物的金屬陶瓷。
在第二、第三方式中，優(yōu)選管狀部和外側(cè)支持體的熱膨脹系數(shù)差為小于等于2ppm，特別優(yōu)選為小于等于1ppm。最優(yōu)選兩者的熱膨脹系數(shù)相同。通過如此調(diào)節(jié)兩者的熱膨脹系數(shù)，可以進(jìn)一步提高本發(fā)明的脆性材料-金屬結(jié)構(gòu)體對熱循環(huán)的穩(wěn)定性、可靠性。
在第二、第三方式中，優(yōu)選管狀部和外側(cè)支持體為燒成收縮率不同的燒結(jié)體，板狀金屬片通過燒成時的收縮差被壓接。關(guān)于此時的收縮率差的適宜值在后面說明。
也可以是管狀部選擇不會產(chǎn)生燒成收縮的燒結(jié)體、單晶材料、玻璃，外側(cè)支持體為燒成收縮的成形體的組合。
在第二、第三方式中，優(yōu)選板狀金屬片的厚度為小于等于1000μm，特別優(yōu)選為小于等于200μm。這樣通過使板狀金屬片變薄，由板狀金屬片的變形來減少在板狀金屬和脆性材料間產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)體的氣密性。但是，如果板狀金屬片過薄，作為結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度會不足，因此板狀金屬片的厚度優(yōu)選為大于等于20μm，更優(yōu)選為大于等于50μm。
在第二、第三方式中，優(yōu)選外側(cè)支持體的厚度為大于等于0.1mm。由此，可以使從外側(cè)支持體對板狀金屬片在徑向上施加的壓力足夠大，可以進(jìn)一步提高外側(cè)支持體和管狀部之間的氣密性。從該角度考慮，更優(yōu)選使外側(cè)支持體的厚度為大于等于0.5mm。在由外側(cè)支持體和管狀部的燒成收縮差而壓接密封板狀金屬片時，該實(shí)施方式將尤其適宜。


圖1(a)為結(jié)構(gòu)體26的斜視圖，圖1(b)為圖1(a)的結(jié)構(gòu)體的截面圖。
圖2(a)為結(jié)構(gòu)體26的斜視圖，圖2(b)為圖2(a)的結(jié)構(gòu)體的截面圖。
圖3為結(jié)構(gòu)體26的斜視圖，彎曲的板狀金屬片被夾在外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體之間。
圖4為模式地表示由圓筒形狀的板狀金屬片、夾持該金屬片的內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體的截面圖。
圖5為模式地表示由圓筒形狀的板狀金屬片、夾持該金屬片的內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體的截面圖。
圖6為模式地表示夾持頂端呈刃狀、C面、R面的各板狀金屬片的結(jié)構(gòu)體的斜視圖。
圖7為表示通過在外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體之間夾有圓筒形狀的板狀金屬片21F而得到的結(jié)構(gòu)體的斜視圖。
圖8(a)、圖8(b)分別為表示通過在外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體之間夾有圓筒形狀的板狀金屬片21F而得到的結(jié)構(gòu)體的截面圖；圖8(c)為模式地表示利用氦檢漏儀的泄漏試驗(yàn)方法的截面圖。
圖9為模式地表示通過在外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體之間夾有圓筒形狀的板狀金屬片21F而得到的結(jié)構(gòu)體的截面圖。
圖10為模式地表示將圖7的結(jié)構(gòu)體接合到外部的金屬部件36上的狀態(tài)的斜視圖。
圖11為模式地表示通過在外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體之間夾有圓筒形狀的板狀金屬片21G而得到的結(jié)構(gòu)體的截面圖；在板狀金屬片上設(shè)有蓋部41。
圖12為表示用于制作本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的脆性材料-金屬復(fù)合體的外側(cè)支持體用成形體12、金屬部件13和管狀部用成形體14的截面圖。
圖13為表示通過燒成圖12的成形體12和14而得到的脆性材料-金屬復(fù)合體1A的截面圖。
圖14為表示在圖13的脆性材料-金屬復(fù)合體1A中設(shè)置貫通孔6而形成的復(fù)合體1B的截面圖。
圖15為表示由外側(cè)支持體2、內(nèi)側(cè)支持體4、包含板狀金屬片3a的金屬部件3構(gòu)成的密閉的結(jié)構(gòu)體15的截面圖。
圖16為表示由外側(cè)支持體4、內(nèi)側(cè)支持體2、包含板狀金屬片3a的金屬部件3構(gòu)成的密閉的結(jié)構(gòu)體15的截面圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖針對本發(fā)明所涉及的實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步說明。
在圖1(a)、(b)所示的例子中，對于結(jié)構(gòu)體26，在由脆性材料構(gòu)成的第一部分24和第二部分25之間夾持有平板狀的板狀金屬片21。具體而言，板狀金屬片21的下半部分的夾持部23被脆性材料24和25夾持，上半部分作為非夾持部22突出在脆性材料的上方。夾持部23的兩面27、28如箭頭A所示被擠壓，由此板狀金屬片21的夾持部23發(fā)生變形，從而吸收、緩和由于脆性材料24、25和金屬的物性不同所引起的應(yīng)力。如后面所述，應(yīng)力緩和所必需的變形量非常微小，在附圖上非夾持部和夾持部幾乎沒有差異(以下同樣)。
在圖2(a)、(b)所示的結(jié)構(gòu)體26中，在由脆性材料構(gòu)成的第一部分24和第二部分25之間夾持有平板狀的板狀金屬片21。具體而言，板狀金屬片21的下半部分的夾持部23被脆性材料24和25夾持，上半部分作為非夾持部22突出在脆性材料的上方。夾持部23的兩面27、28如箭頭A所示被擠壓，由此板狀金屬片21的夾持部23發(fā)生變形，從而吸收、緩和由于脆性材料24、25和金屬的物性不同所引起的應(yīng)力。在本例中，除了第一部分24和第二部分25以外，脆性材料包圍住夾持部23，由此形成夾持部23被埋設(shè)在脆性材料內(nèi)的狀態(tài)。
在圖3所示的結(jié)構(gòu)體26中，由脆性材料構(gòu)成的外側(cè)支持體24A大致呈圓筒形狀，由脆性材料構(gòu)成的內(nèi)側(cè)支持體25A大致呈圓柱形狀或者大致圓筒形狀。并且，在外側(cè)支持體24A和內(nèi)側(cè)支持體25A之間，彎曲的板狀金屬片21A被夾持、固定。在圖3中，非夾持部22A從脆性材料中突出，夾持部由于被埋設(shè)在脆性材料內(nèi)，因此外觀上沒有顯現(xiàn)。
在圖4所示的結(jié)構(gòu)體26中，由脆性材料構(gòu)成的外側(cè)支持體24A大致呈圓筒形狀，由脆性材料構(gòu)成的內(nèi)側(cè)支持體25A大致呈圓柱形狀或者大致呈圓筒形狀。并且，在外側(cè)支持體24A和內(nèi)側(cè)支持體25A之間，無接縫的圓筒形狀的板狀金屬片21B被夾持、固定。非夾持部22B從脆性材料中突出，夾持部23B被埋設(shè)在脆性材料內(nèi)。夾持部23B的兩面27、28如箭頭A所示被擠壓，由此板狀金屬片21B的夾持部23B發(fā)生變形，從而吸收、緩和由于脆性材料24A、25A和金屬的物性不同所引起的應(yīng)力。另外，外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體在夾持部的正下方互相直接接觸。
在圖5所示的結(jié)構(gòu)體26中，由脆性材料構(gòu)成的外側(cè)支持體24B大致呈圓筒形狀，由脆性材料構(gòu)成的內(nèi)側(cè)支持體25B大致呈圓柱形狀或者大致呈圓筒形狀。并且，在外側(cè)支持體24B和內(nèi)側(cè)支持體25B之間，圓筒形狀的板狀金屬片21B被夾持、固定。非夾持部22B從脆性材料中突出，夾持部23B被埋設(shè)在脆性材料內(nèi)。夾持部23B的兩面27、28如箭頭A所示被擠壓，由此板狀金屬片21B的夾持部23B發(fā)生變形，從而吸收、緩和由于脆性材料24B、25B和金屬的物性不同所引起的應(yīng)力。另外，在夾持部的正下方，外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體通過相互燒結(jié)或者熔融而實(shí)質(zhì)上被一體化，陶瓷或者玻璃組織連續(xù)化。
在圖6所示的例子中，脆性材料24C、25C、24C、25C被排成一列，在各脆性材料之間分別夾持平板狀的板狀金屬片21C、21D、21E。具體而言，板狀金屬片21C、21D、21E的下半部分的夾持部23C、23D、23E被脆性材料24C和25C夾持，上半部分作為非夾持部22C、22D、22E在脆性材料的上方突出。夾持部23C、23D、23E的兩面27、28被擠壓，由此各夾持部發(fā)生變形，從而吸收、緩和由于脆性材料和金屬的物性不同所引起的應(yīng)力。
在夾持部23E的頂端設(shè)置例如刃狀部31，在夾持部23D的頂端設(shè)置C面32，在夾持部23C的頂端設(shè)置R面33。由此，石英玻璃和金屬片在頂端接觸部的適應(yīng)性變得良好。例如，如圖1所示在夾持部的頂端殘留有拐角(角部)時，存在能夠觀察到從拐角延伸的微小的裂紋的試樣。但是，如圖6所示，當(dāng)夾持部頂端的形狀為刃狀、C形狀、R形狀時，則看不到這樣的裂紋，應(yīng)力降低效果得到確認(rèn)。
在圖7和圖8(a)所示的結(jié)構(gòu)體26中，由脆性材料構(gòu)成的外側(cè)支持體24F大致呈圓筒形狀，由脆性材料構(gòu)成的內(nèi)側(cè)支持體25F大致呈圓筒形狀。并且，在外側(cè)支持體24F和內(nèi)側(cè)支持體25F之間，圓筒形狀的板狀金屬片21F被夾持、固定。非夾持部22F從脆性材料中突出，夾持部23F被埋設(shè)在脆性材料內(nèi)。夾持部23F的兩面27、28如箭頭A所示被擠壓，由此板狀金屬片21F的夾持部23F發(fā)生變形，從而吸收、緩和由于脆性材料24F、25F和金屬的物性不同所引起的應(yīng)力。另外，外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體在夾持部的正下方接觸。外側(cè)支持體24F比內(nèi)側(cè)支持體25F短。
在圖8(b)所示的結(jié)構(gòu)體26中，由脆性材料構(gòu)成的外側(cè)支持體24F大致呈圓筒形狀，由脆性材料構(gòu)成的內(nèi)側(cè)支持體25F大致呈圓筒形狀。并且，在外側(cè)支持體24F和內(nèi)側(cè)支持體25F之間，無接縫的圓筒形狀的板狀金屬片21F被夾持、固定。非夾持部22F從脆性材料中突出，夾持部23F被埋設(shè)在脆性材料內(nèi)。夾持部23F的兩面27、28如箭頭A所示被擠壓，由此板狀金屬片21F的夾持部23F發(fā)生變形，從而吸收、緩和由于脆性材料24F、25F和金屬的物性不同所引起的應(yīng)力。外側(cè)支持體24F比內(nèi)側(cè)支持體25F短。
圖9所示的結(jié)構(gòu)體26與圖8(b)所示的結(jié)構(gòu)體大致相同。在內(nèi)側(cè)支持體25F的內(nèi)側(cè)形成有貫通孔29。另外，內(nèi)側(cè)支持體25F、外側(cè)支持體24F和無接縫的圓筒狀的板狀金屬片21F的各管軸36基本一致。
在圖10所示的例子中，圖9的結(jié)構(gòu)體接合外部的金屬部件。即，針對其他的圓柱形狀的金屬部件36，通過熔接等公知的金屬接合方法在37接合從外側(cè)支持體24F向上方突出的非夾持部22F。毛細(xì)管38被安裝到該金屬部件36上。毛細(xì)管例如被用作為用于插入棒狀的電流貫通導(dǎo)體和電極材料的導(dǎo)向或者用于形成氣密密封的熔接部。
在圖11所示的結(jié)構(gòu)體26中，由脆性材料構(gòu)成的外側(cè)支持體24F大致呈圓筒形狀，由脆性材料構(gòu)成的內(nèi)側(cè)支持體25F大致呈具有貫通孔的圓柱形狀。并且，在外側(cè)支持體24F和內(nèi)側(cè)支持體25F之間，圓筒形狀的板狀金屬片21G被夾持、固定。非夾持部22G從脆性材料中突出，夾持部23G被埋設(shè)在脆性材料內(nèi)。夾持部23G的兩面27、28如箭頭A所示被擠壓，由此板狀金屬片21G的夾持部23G發(fā)生變形，從而吸收、緩和由于脆性材料24F、25F和金屬的物性不同所引起的應(yīng)力。另外，外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體在夾持部的正下方接觸。在該夾持部23G的上端部無接縫地、一體地設(shè)置蓋部41，在蓋部41的內(nèi)側(cè)形成密閉空間42。
以下，參照適宜附圖，更詳細(xì)地說明第一、第二和第三方式涉及的各發(fā)明的實(shí)施例。
圖12為簡要地表示組裝燒成前的外側(cè)支持體用被燒成體12、由板狀金屬片13a和突出部(蓋部)13c構(gòu)成的金屬部件13、以及管狀部用燒結(jié)體14的狀態(tài)的截面圖。圖13為簡要地表示根據(jù)圖12的外側(cè)支持體的燒成收縮而形成的脆性材料-金屬結(jié)構(gòu)體1A的截面圖。
在圖12中，被燒成體12由陶瓷粉末或者金屬陶瓷用陶瓷-金屬混合粉末構(gòu)成。其中也可以含有有機(jī)粘合劑或燒結(jié)助劑等添加劑。另外，被燒成體12可以是各粉末的成形體，也可以是該成形體的煅燒體或者脫脂體。但是，需要具有被燒成體的尺寸根據(jù)被燒成體的燒成而會收縮的性質(zhì)。
被燒成體14與被燒成體12同樣由陶瓷粉末或者金屬陶瓷用的陶瓷-金屬混合粉末而構(gòu)成。其中也可以含有有機(jī)粘合劑和燒結(jié)助劑等添加劑。另外，被燒成體14可以是各粉末的成形體，也可以是該成形體的煅燒體或者脫脂體。但是，需要被燒成體12的燒成收縮率大于被燒成體14的燒成收縮率。
對于被燒成體14可以選擇像不產(chǎn)生燒成收縮的燒結(jié)體、單晶、玻璃等已經(jīng)完成致密化的材料。
被燒成體12具有板狀金屬片13a的壓接部12c、從壓接部12c向下方延伸的凸緣部12a、從壓接部12c向端部側(cè)延伸的筒狀部12f、以及從筒狀部12f向內(nèi)側(cè)延伸的環(huán)狀的突出部12d。另外，被燒成體14呈筒狀或者桶狀。14a為外壁面，14b為末端面，14c為內(nèi)壁面。在圖12(燒成前)的時刻，在被燒成體12和金屬部件13之間存在間隙，在金屬部件13和被燒成體14之間也設(shè)有間隙。
在該狀態(tài)下燒成被燒成體12和14，使其致密化。于是，如圖13所示，分別生成直徑變小的管狀部4和外側(cè)支持體2A。外側(cè)支持體2A具有板狀金屬片3a的壓接部2c、從壓接部2c向下方延伸的凸緣部2a、從壓接部2c向端部側(cè)延伸的筒狀部2f、以及從筒狀部2f向內(nèi)側(cè)延伸的環(huán)狀的突出部2d。管狀部4呈筒狀或者桶狀。4a為外壁面，4b為末端面，4c為內(nèi)壁面。管狀部4和外側(cè)支持體2A沿著界面11直接接觸，組織上形成一體化。
在此，在燒成工序中，要使單獨(dú)燒成管狀部4用成形體14時的外形大于單獨(dú)燒成作為外側(cè)支持體的外側(cè)支持體2A的成形體12時的內(nèi)徑。由此，在燒成時，從外側(cè)支持體2A和管狀部4在徑向上對板狀金屬片3a施加壓接力，提高密合性和氣密性。
從該觀點(diǎn)考慮，單獨(dú)燒成管狀部4用成形體14時的外徑RO與單獨(dú)燒成外側(cè)支持體2A用成形體12時的內(nèi)徑RI的比率(RO/RI)優(yōu)選為大于等于1.04，更優(yōu)選為大于等于1.05。
如果(RO/RI)過大，則在管狀部4或外側(cè)支持體2A上容易產(chǎn)生裂紋。從該觀點(diǎn)考慮，(RO/RI)優(yōu)選為小于等于1.20，更優(yōu)選為小于等于1.15。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明的脆性材料-金屬結(jié)構(gòu)體具有與板狀金屬片3a連接的金屬制筒狀部。由此，在熱處理時，容易在規(guī)定場所確定板狀金屬片3a的位置，在對板狀金屬片3a施加壓力時可以防止板狀金屬片3a的位置偏移(特別是中心軸X方向的位置偏移)。
另外，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，金屬部件3具有向內(nèi)側(cè)突出的突出部3c，突出部3c與管狀部4的末端面4b對置。由此，可以更加準(zhǔn)確地確定板狀金屬片3a的位置。進(jìn)而，通過使突出部3c突出，突出部3c自身可以用于密封管狀部4的開口。
例如，如圖12、圖13所示，通過突出部3c可以覆蓋管狀部4的整個開口，此時不需要其他的密封部件?；蛘?，如圖14所示，可以使突出部3c為環(huán)狀，在突出部3c上設(shè)置貫通孔6。此時，可以通過其他金屬部件堵塞貫通孔6。該堵塞方法例如可以是金屬熔接。
另外，在第一、第二、第三方式中，優(yōu)選外側(cè)支持體2A具有向內(nèi)側(cè)突出的環(huán)狀部2d。即，在熱處理時，對金屬部件3施加壓力時，環(huán)狀部2d作為抑制金屬部件3的過度變形的一種制動器而發(fā)揮作用。
圖15的結(jié)構(gòu)體1B以由脆性材料構(gòu)成的管狀部作為內(nèi)側(cè)支持體4，在內(nèi)側(cè)支持體4的外側(cè)具有由脆性材料構(gòu)成的比內(nèi)側(cè)支持體4短的外側(cè)支持體2、以及夾在內(nèi)側(cè)支持體4和外側(cè)支持體2之間的板狀金屬片3a。內(nèi)側(cè)支持體4和板狀金屬片3a直接接觸，板狀金屬片3a和外側(cè)支持體2直接接觸，進(jìn)而內(nèi)側(cè)支持體4和外側(cè)支持體2直接接觸。大致圓筒狀的板狀金屬片3a的一端被大致圓板形狀的突出部3c堵塞。通過一對結(jié)構(gòu)體1B，形成堵塞、密閉的部件15。
圖16的結(jié)構(gòu)體1C以由脆性材料構(gòu)成的管狀部作為外側(cè)支持體4，在外側(cè)支持體4的內(nèi)側(cè)具有由脆性材料構(gòu)成的比外側(cè)支持體4短的內(nèi)側(cè)支持體2、以及夾在外側(cè)支持體4和內(nèi)側(cè)支持體2之間的板狀金屬片3a。內(nèi)側(cè)支持體2和板狀金屬片3a直接接觸，板狀金屬片3a和外側(cè)支持體4直接接觸，進(jìn)而內(nèi)側(cè)支持體2和外側(cè)支持體4直接接觸。大致圓筒狀的板狀金屬片3a的一端被大致圓板形狀的突出部3c堵塞。通過一對結(jié)構(gòu)體1C，形成堵塞、密閉的部件15。
另外，從牢固地壓接板狀金屬片3a、提高密合性和氣密性這樣的觀點(diǎn)考慮，外側(cè)支持體的壁厚n(參照圖13)優(yōu)選大于等于0.1mm，更優(yōu)選大于等于0.3mm。其上限沒有特別限制。
板狀金屬片3a的材質(zhì)和形態(tài)沒有特別限制。板狀金屬片的材質(zhì)優(yōu)選高熔點(diǎn)金屬或者導(dǎo)電性陶瓷。作為高熔點(diǎn)金屬，優(yōu)選選自由鉬、鎢、錸、鉿、鈮和鉭組成的組中的一種或一種以上的金屬或者含有該金屬的合金。另外，板狀金屬片以外的金屬部分例如筒狀部、環(huán)狀部、毛細(xì)管部也可以由板狀金屬片用的上述金屬構(gòu)成。
在第一、第二、第三方式的優(yōu)選實(shí)施方式中，管狀部由藍(lán)寶石構(gòu)成，構(gòu)成管狀部的藍(lán)寶石的c軸與管狀部的管軸X所成的角度為小于等于10°。通過使由藍(lán)寶石構(gòu)成的管狀部的c軸定位在與管狀部的管軸(中心軸)X大致相同的方向，在管狀部和被固定在管狀部端部的外側(cè)支持體的界面附近，可以顯著減少藍(lán)寶石的裂紋生成率。從該觀點(diǎn)考慮，構(gòu)成外側(cè)支持體的藍(lán)寶石的c軸與管軸X所成的角度更優(yōu)選為小于等于5°。
如果采用本發(fā)明作為氣密密封體，在相互重疊金屬箔而形成管狀結(jié)構(gòu)時，在半徑方向內(nèi)側(cè)部會產(chǎn)生三角形間隙，因此如果重疊，優(yōu)選使同一部分的兩端形成為錐形。最優(yōu)選的方式是沒有接縫。板狀金屬片可以是導(dǎo)管狀，如上所述卷入一片金屬箔，利用適宜的熔接消除接縫也同樣優(yōu)選。
另外，板狀金屬片也可以是大致帽子形狀。帽子制法可舉出深沖加工等，制法沒有特別限制。但是，深沖加工時，如果加工前是壓延體，則在與壓延方向垂直的方向在加熱時會容易發(fā)生脆化，因此深沖加工需要充分注意該問題。關(guān)于該金屬部件的變更可以根據(jù)接合體設(shè)計適宜地調(diào)整。
為了消除壓接后的夾持部的褶皺或者拱起，在接合體為管狀的情況，壓接金屬環(huán)(管)和兩脆性材料部在軸方向看到時，各管徑可以連續(xù)地變化。另外，例如在接合部金屬埋設(shè)出口附近等可以適宜地輔助使用氧氮玻璃等高耐熱性玻璃。
實(shí)施例實(shí)施例1制造圖1(a)、(b)所示的結(jié)構(gòu)體。具體而言，準(zhǔn)備用兩個氧化鋁純度99.6％的易燒結(jié)性氧化鋁預(yù)成形體(成形壓力300kg/cm2)塊(60×40×30mm)夾持厚度100μm、寬度20mm、長度40mm的鉬制板狀金屬片21的長度方向的40mm部分內(nèi)的20mm部分23的成形體。涂布橡膠乳液，使其覆蓋該成形體的全體，然后干燥，從而橡膠覆蓋全體。用1000kg/cm2的靜水壓加壓該橡膠覆蓋的成形體而一體化后，在大氣中于500℃除去粘合劑，進(jìn)而在氫氛圍中于1400℃燒成3小時，燒結(jié)氧化鋁成形體，從而制作出長度約20mm的非壓接夾持部22突出的脆性材料-板狀金屬結(jié)構(gòu)體。
實(shí)施例2制造圖2(a)、(b)所示的結(jié)構(gòu)體。具體而言，以能夠使厚度200μm、寬度20mm、長度40mm的鎳制板狀金屬片21的長度方向的40mm部分內(nèi)的10mm部分成為非壓接夾持部的狀態(tài)，放入橡膠容器中，向該橡膠容器內(nèi)填充氧化鋁純度99.6％的易燒結(jié)性氧化鋁粉末。填充氧化鋁粉末后密閉密封橡膠容器，施加2000kg/cm2的靜水壓后從橡膠容器中取出，從而得到在氧化鋁成形體中埋設(shè)有鎳制板狀金屬片的成形體。在大氣中于500℃對該成形體除去粘合劑，進(jìn)而在氫氛圍中于1400℃燒成3小時，燒結(jié)氧化鋁成形體，從而制作出脆性材料-板狀金屬結(jié)構(gòu)體。
實(shí)施例3制作圖3所示的結(jié)構(gòu)體。具體而言，將厚度50μm、寬度40mm、長度30mm的純銅制板狀金屬片21A卷繞在直徑20mm、高度50mm的用氧化鋯燒結(jié)體(添加3mol％的氧化釔的陶瓷)制作的圓柱狀的內(nèi)側(cè)支持體25A上，并用粘接劑臨時固定。進(jìn)而，將內(nèi)徑20.05mm、外徑50mm、高度50mm的圓筒狀的用氧化鋯燒結(jié)體(添加3mol％的氧化釔的陶瓷)制作的外側(cè)支持體24A加熱至1000℃而使其熱膨脹，在該狀態(tài)下插入在常溫下保管的上述卷繞有純銅制板狀金屬片21A的氧化鋯制內(nèi)側(cè)支持體25A，通過緩慢冷卻全體，制作出20mm的非壓接夾持部22A突出的脆性材料-板狀金屬結(jié)構(gòu)體。
實(shí)施例4制作圖4所示的結(jié)構(gòu)體。具體而言，將厚度50μm、寬度15mm、長度65mm的純銅制板狀金屬片21B卷繞在直徑20mm、高度30mm的用氧化鋯燒結(jié)體(添加3mol％的氧化釔的陶瓷)制作的圓柱狀的內(nèi)側(cè)支持體25A的上部10mm部分上，使頂端部分重疊約2mm，用粘接劑臨時固定。進(jìn)而，將內(nèi)徑20.05mm、外徑30mm、高度30mm的圓筒狀的氧化鋯燒結(jié)體制(添加3mol％的氧化釔的陶瓷)的外側(cè)支持體24A加熱至1000℃而使其熱膨脹，在該狀態(tài)下插入在常溫下保管的卷繞有純銅制板狀金屬片21B的氧化鋯制內(nèi)側(cè)支持體25A，通過緩慢冷卻全體，制作出5mm的非壓接夾持部22B突出的脆性材料-板狀金屬結(jié)構(gòu)體。
實(shí)施例5制作圖5所示的結(jié)構(gòu)體。具體而言，將厚度100μm、寬度10mm、長度27mm的鉬制板狀金屬片卷繞在直徑8mm、高度15mm的用高純度氧化鋁燒結(jié)體(氧化鋁純度99.9％)制作的圓柱狀的內(nèi)側(cè)支持體的上部8mm部分上，使頂端部分重疊約2mm，用粘接劑臨時固定。另外，制作以1000kg/cm2的壓力成形的高純度氧化鋁成形體，制成內(nèi)徑8.3mm、外徑22.5mm、高度19mm的環(huán)狀，并在大氣中于500℃除去粘合劑。
以該環(huán)狀的高純度氧化鋁成形體為外側(cè)支持體，在環(huán)的孔中插入先前的卷繞有鉬制板狀金屬片的氧化鋁制內(nèi)側(cè)支持體，形成組裝外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體的狀態(tài)。進(jìn)而在氫氛圍中于1800℃將該組裝品燒成3小時，燒結(jié)作為外側(cè)支持體的氧化鋁成形體。外側(cè)支持體通過燒結(jié)，產(chǎn)生伴隨著燒結(jié)的收縮，通過產(chǎn)生從周圍向內(nèi)側(cè)支持體的緊固力，與內(nèi)側(cè)支持體一體化。同時，卷繞在內(nèi)側(cè)支持體25B上的鉬制板狀金屬片21B在燒結(jié)時的高溫下軟化，由于來自外側(cè)支持體24B的緊固力，其仿形氧化鋁部件的表面形狀而發(fā)生塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)氣密性良好的密封結(jié)構(gòu)。在氧化鋁部件彼此間直接接觸的部分，通過氧化鋁彼此間的燒結(jié)作用，界面一體化，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、氣密性均優(yōu)異的密封結(jié)構(gòu)。
在冷卻過程中，在鉬被壓接的部分，由于氧化鋁(約8ppm/℃)和鉬(約5ppm/℃)的熱膨脹差，在氧化鋁的厚度方向和面方向會產(chǎn)生熱應(yīng)力，但是由于鉬的厚度(100μm)比氧化鋁的厚度(5或者8mm)薄，因此氧化鋁側(cè)的生成應(yīng)力小，不會產(chǎn)生破壞。另外，即使產(chǎn)生應(yīng)力，通過鉬產(chǎn)生金屬特有的彈性變形或塑性變形，也可以緩和應(yīng)力。鉬沒有被壓接的部分由于是熱膨脹率相同的氧化鋁彼此間的結(jié)構(gòu)體，因此完全不會產(chǎn)生由熱膨脹差引起的應(yīng)力。
非壓接部由于完全沒有與熱膨脹率不同的氧化鋁的相互作用，因此完全不會產(chǎn)生應(yīng)力，可以實(shí)現(xiàn)可靠性極高的脆性材料-金屬結(jié)構(gòu)體。
實(shí)施例6制作圖2所示的結(jié)構(gòu)體。具體而言，用兩個氧化鋁純度99.6％的易燒結(jié)性氧化鋁預(yù)成形體(成形壓力300kg/cm2)塊(60×40×30mm)夾持厚度100μm、寬度10mm、長度50mm的鉬制板狀金屬片，涂布橡膠乳液，使其覆蓋全體，然后干燥，從而橡膠覆蓋全體。此時調(diào)整成被壓接的鉬片的壓接長度成為如后所述的各種長度。用1000kg/cm2的靜水壓加壓該橡膠覆蓋的成形體而一體化后，在大氣中于500℃除去粘合劑，進(jìn)而在氫氛圍中于1400℃燒成3小時，燒結(jié)氧化鋁成形體，從而制作出壓接夾持部的長度為0.5mm、1.0mm、3.0mm、5.0mm、10.0mm的夾持力評價用氧化鋁-鉬試驗(yàn)片。
固定該試驗(yàn)片的氧化鋁部分，通過拉伸鉬的非壓接夾持部，測定氧化鋁-鉬間的夾持力。對鉬的壓接夾持部的兩面進(jìn)行噴砂處理，一并準(zhǔn)備表面粗糙度變粗的試樣。表1的帶“*”號的數(shù)據(jù)是對壓接夾持部的表面進(jìn)行噴砂處理，使表面粗糙度變粗的試樣的評價結(jié)果。
在長度方向僅拉伸鉬制板狀金屬片(無夾持部長度)時的強(qiáng)度設(shè)定為100時的氧化鋁-鉬的夾持力如表1所示，要是夾持部長度為鋁厚度的10倍或10倍以上，則可以表現(xiàn)出與鉬自身的拉伸強(qiáng)度同等的夾持力。另外，即使夾持部長度相同，對于通過噴砂等處理使表面粗糙度變粗的試驗(yàn)片來說，也可以改善夾持力。
表1

另外，針對與上述同樣的試驗(yàn)片，準(zhǔn)備使壓接夾持部長度恒定為10mm，而將非壓接夾持部變更為各種長度的試驗(yàn)片。雖然受到使用條件的影響，但是如果長度沒有金屬片厚度的5倍左右，則通過熔接或釬焊等方法與其他部件的接合會變得困難。
表2

實(shí)施例7制作圖7和圖8(a)所示的結(jié)構(gòu)體。具體而言，將厚度100μm、寬度17.5mm、長度18mm的鉬制板狀金屬片21F卷繞成，使直徑5mm、內(nèi)徑2mm、高度20mm的用高純度氧化鋁燒結(jié)體(氧化鋁純度99.9％)制作的管狀的內(nèi)側(cè)支持體25F的距上端17.5mm部分與鉬金屬片的頂端部分重疊約2mm，用粘接劑臨時固定。另外，制作以1000kg/cm2的壓力成形的高純度氧化鋁成形體，制成內(nèi)徑5.3mm，外徑分別為5.9mm、6.5mm、8.4mm、10.4mm、13.4mm，高度6mm的圓筒狀，并在大氣中于500℃除去粘合劑。
以該圓筒狀的高純度氧化鋁成形體為外側(cè)支持體24F，在該外側(cè)支持體的圓筒的孔中插入先前的卷繞有鉬制板狀金屬片21F的氧化鋁制內(nèi)側(cè)支持體25F，形成組裝外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體的狀態(tài)。進(jìn)而在氫氛圍中于1800℃將該組裝品燒成3小時，燒結(jié)作為外側(cè)支持體的氧化鋁成形體。外側(cè)支持體通過燒結(jié)，產(chǎn)生伴隨著燒結(jié)的收縮，通過產(chǎn)生從周圍向內(nèi)側(cè)支持體的緊固力，與內(nèi)側(cè)支持體一體化。
如圖8(c)所示進(jìn)行氦泄漏試驗(yàn)。將燒成后一體化的外側(cè)支持體的外側(cè)面插入真空管41中，用粘接劑等在40堵塞內(nèi)側(cè)支持體的孔，一邊將管41抽真空，一邊如箭頭D所示向外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體的接合部吹送氦氣，用氦檢漏儀評價該結(jié)構(gòu)體的氣密性。即，測定如箭頭E所示漏出的氦氣的泄漏量。其結(jié)果是，即使外側(cè)支持體的厚度為0.25mm，也發(fā)揮出比較良好的氣密性。如果外側(cè)支持體的厚度為大于等于0.5mm，則顯示出氦檢漏儀的測定極限水平的良好氣密性。
表3

實(shí)施例8制作圖6所示的結(jié)構(gòu)體。具體而言，以能夠使厚度200μm、寬度20mm、長度50mm的鎳制板狀金屬片21C、21D、21E的長度方向的50mm部分內(nèi)的10mm部分成為非壓接夾持部22C、22D、22E的狀態(tài)，插入溫度為1500℃的軟化石英玻璃塊中，冷卻而制作脆性材料-板狀金屬結(jié)構(gòu)體。此時形成鎳金屬片的壓接夾持部23C、23D、23E的頂端為完全切除的矩形形狀、刃狀、C形狀、R形狀。
對于金屬片頂端部分為刃狀、C形狀、R形狀的物品來說，石英玻璃和金屬片在頂端接觸部的適應(yīng)性良好，但是頂端部為矩形形狀時，則會有在拐角部能夠觀察到微小裂紋的試樣?？梢源_認(rèn)，當(dāng)頂端部分的形狀為刃狀、C形狀、R形狀時，具有減少應(yīng)力的效果。
實(shí)施例9制作圖8(b)所示的結(jié)構(gòu)體。具體而言，在厚度100μm、內(nèi)徑2.05mm、長度10mm的鉬制管中插入直徑5mm、內(nèi)徑2mm、長度20mm的用單晶氧化鋁(藍(lán)寶石)制作的管狀的內(nèi)側(cè)支持體25F。另外，制作以1000kg/cm2的壓力成形的高純度氧化鋁成形體，制成內(nèi)徑5.3mm、外徑13.4mm、高度6mm的圓筒狀，并在大氣中于500℃除去粘合劑。以該圓筒狀的高純度氧化鋁成形體為外側(cè)支持體24F，在外側(cè)支持體的圓筒的孔中插入先前的放置有鉬制板狀金屬片21F的藍(lán)寶石制內(nèi)側(cè)支持體25F，形成組裝外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體的狀態(tài)。此時將藍(lán)寶石管和氧化鋁成形體的頂端調(diào)整為相同面，將鉬管組裝成為從藍(lán)寶石管的頂端突出5mm和7.5mm而形成非壓接夾持部。
進(jìn)而，在氫氛圍中于1800℃將該組裝品燒成3小時，燒結(jié)作為外側(cè)支持體的氧化鋁成形體。外側(cè)支持體通過燒結(jié)，產(chǎn)生伴隨著燒結(jié)的收縮，通過產(chǎn)生從周圍向內(nèi)側(cè)支持體的緊固力，與內(nèi)側(cè)支持體一體化。
非壓接夾持部的長度為5mm的情況，作為板狀金屬片的鉬管存在于整個壓接夾持部。非壓接夾持部為7.5mm的情況，壓接夾持部為約2mm左右，可以制作外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體直接接觸的部分。該部分通過燒成處理，產(chǎn)生界面的燒結(jié)現(xiàn)象，從而牢固地一體化，氣密性也增加。圖8(b)模式地表示非壓接夾持部為7.5mm的情況。
進(jìn)而，利用該鉬管的非壓接夾持部，通過熔接、釬焊、機(jī)械連接法等可以結(jié)合其他形狀的金屬部件。
例如，如圖10所示，通過激光熔接法接合具有內(nèi)徑小于0.5mm的毛細(xì)管38的鉬制的凸緣36。
實(shí)施例10制作圖11的結(jié)構(gòu)體。具體而言，準(zhǔn)備厚度100μm、內(nèi)徑3.05mm、高度5mm的鎳制的、通過深沖加工而制作的帽22G(一個端部形成蓋部41)。作為內(nèi)側(cè)支持體25F準(zhǔn)備直徑3mm、內(nèi)徑2mm、長度10mm的用高純度氧化鋁燒結(jié)體制作的管狀的內(nèi)側(cè)支持體。另外，制作以1000kg/cm2的壓力成形的氧化鋁純度99.6％的易燒結(jié)性氧化鋁成形體，制成內(nèi)徑3.3mm、外徑7mm、高度12mm的環(huán)狀，并在大氣中于500℃除去粘合劑。
以該環(huán)狀的易燒結(jié)性氧化鋁成形體為外側(cè)支持體24F，在該外側(cè)支持體的環(huán)的孔中插入先前的放置有鎳制帽21G的高純度氧化鋁制內(nèi)側(cè)支持體25F，形成組裝外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體的狀態(tài)。此時將高純度氧化鋁管和氧化鋁成形體外側(cè)環(huán)的頂端調(diào)整為大致相同面，將鎳帽組裝成以堵塞藍(lán)寶石管的頂端的狀態(tài)突出，成為非壓接夾持部。
進(jìn)而，在氫氛圍中于1350℃將該組裝品燒成3小時，燒結(jié)作為外側(cè)支持體的氧化鋁成形體。外側(cè)支持體通過燒結(jié)，產(chǎn)生伴隨著燒結(jié)的收縮，通過產(chǎn)生從周圍向內(nèi)側(cè)支持體的緊固力，與內(nèi)側(cè)支持體一體化。
利用具有作為非壓接夾持部的帽子狀的脆性材料-金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)體，在該部分可以通過熔接、釬焊、機(jī)械連接結(jié)合其他的金屬部件。
實(shí)施例11制作圖9所示的結(jié)構(gòu)體。具體而言，準(zhǔn)備厚度100μm、內(nèi)徑3.05mm、長度10mm的鎳制的管21F。作為內(nèi)側(cè)支持體25F準(zhǔn)備直徑3mm、內(nèi)徑2mm、長度10mm的用高純度氧化鋁煅燒體(煅燒溫度1250℃)制作的管狀的內(nèi)側(cè)支持體。另外，制作以1000kg/cm2的壓力成形的氧化鋁純度99.6％的易燒結(jié)性氧化鋁成形體，制成內(nèi)徑3.3mm、外徑10mm、高度11mm的環(huán)狀，并在大氣中于500℃除去粘合劑。
該高純度的氧化鋁煅燒體的頂端和環(huán)狀的易燒結(jié)性氧化鋁成形體的內(nèi)徑側(cè)的頂端實(shí)施C或者R加工，設(shè)計成消除由燒結(jié)引起的對一體化后的金屬的應(yīng)力集中。
以該氧化鋁成形體為外側(cè)支持體24F，在外側(cè)支持體的環(huán)的孔中插入先前的放置有鎳制管21F的高純度氧化鋁制內(nèi)側(cè)支持體25F，形成組裝外側(cè)支持體和內(nèi)側(cè)支持體的狀態(tài)。此時將高純度氧化鋁管和氧化鋁成形體環(huán)的頂端調(diào)整為大致相同面，將鎳管組裝成從氧化鋁管突出5mm，成為非壓接夾持部22F。
進(jìn)而，在氫氛圍中于1350℃將該安裝品燒成3小時，燒結(jié)作為外側(cè)支持體的氧化鋁成形體。外側(cè)支持體通過燒結(jié)，產(chǎn)生伴隨著燒結(jié)的收縮，通過產(chǎn)生從周圍向內(nèi)側(cè)支持體的緊固力，與內(nèi)側(cè)支持體一體化，而制作脆性材料-金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)體。
實(shí)施例12根據(jù)參照圖12、圖13所說明的步驟，制作圖15所示的氧化鋁-金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)體。具體而言，在純度大于等于99.9％的高純度氧化鋁粉末中加入750ppm氧化鎂、2重量％聚乙烯醇、0.5重量％聚乙二醇、50重量份水，通過球磨機(jī)粉碎、混合1小時。使用噴霧干燥器在200℃附近對混合物進(jìn)行干燥和造粒，得到平均粒徑約70μm、靜態(tài)體積密度為0.7g/cm3的造粒粉末。
在1000kg/cm2的壓力下對該造粒粉末進(jìn)行加壓成形，得到圖12所示的外側(cè)支持體用成形體12、管狀部用成形體14。此時，為了使單獨(dú)燒成管狀部用成形體14時的外徑RO與單獨(dú)燒成外側(cè)支持體用成形體12時的內(nèi)徑RI的比率(RO/RI)成為表4所示的值，調(diào)整兩者的尺寸。
如圖12所示安裝各成形體12、14和鉬金屬制的部件13，并在氫氛圍中于1400℃進(jìn)行燒成。但是，成形體14的一個端部為如圖14所示開孔的鉬金屬部件。得到的管狀部4的直徑為2mm，內(nèi)徑為1mm，長度為20mm。另外，使板狀金屬片3a的厚度W為150μm，壓接夾持部的長度m為3mm，外側(cè)支持體的壁厚n為1.5mm，非夾持部的蓋狀部分的金屬的厚度t為0.5mm。
在此，為了評價本結(jié)構(gòu)體在高溫下的氣密性，在各安裝體10A(圖15)內(nèi)，利用一方的鉬金屬部件的蓋的孔加入1200℃下呈150大氣壓的量的水銀后，用鉬制的栓堵住孔，并熔接密封。進(jìn)而，將該試驗(yàn)片放在真空石英外管中。將在1200℃保持5分鐘、在室溫保持25分鐘作為1個循環(huán)，進(jìn)行1000個循環(huán)的熱循環(huán)試驗(yàn)。進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)后，通過特斯拉線圈觀測石英制外管內(nèi)的發(fā)光情況，評價氣密性。制作5個試驗(yàn)片，要是觀測不到發(fā)光則評價為合格，觀測到發(fā)光時評價為不合格，合格率示于表4中。
表4

這樣，通過本發(fā)明，可以提供密封部分的可靠性優(yōu)異的結(jié)構(gòu)。另外，還知道特別優(yōu)選所謂加熱嵌入率(RO/RI)大于等于1.04。
實(shí)施例13在圖16表示對內(nèi)側(cè)支持體使用外徑1mm、內(nèi)徑0.5mm、長度5mm的高純度氧化鋁燒結(jié)體，與鉬制的金屬部件3組合，準(zhǔn)備外徑2.5mm、內(nèi)徑1.25mm、長度25mm的高純度氧化鋁成形體，在氫氛圍中于1400℃進(jìn)行燒結(jié)的例子。加熱嵌入率(RO/RI)為1.20。
第一、第二、第三方式的發(fā)明涉及的脆性材料-金屬結(jié)構(gòu)體的用途沒有特殊限制，例如可以應(yīng)用于高溫反應(yīng)容器、熱交換器、半導(dǎo)體制造裝置用部件等在高溫環(huán)境下要求氣密性的陶瓷制品。
權(quán)利要求
1.脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，具有脆性材料和板狀金屬片，所述板狀金屬片具有被所述脆性材料壓接夾持的夾持部和沒有被夾持的非夾持部，所述板狀金屬片的所述夾持部和所述脆性材料的接觸界面所產(chǎn)生的應(yīng)力根據(jù)所述板狀金屬片的變形被緩和。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述夾持部被埋設(shè)在所述脆性材料中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，在內(nèi)側(cè)支持體和外側(cè)支持體之間夾持有所述板狀金屬片，所述內(nèi)側(cè)支持體由所述脆性材料構(gòu)成，所述外側(cè)支持體由所述脆性材料構(gòu)成，并包圍所述內(nèi)側(cè)支持體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，具有所述內(nèi)側(cè)支持體和所述外側(cè)支持體直接接觸的部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，當(dāng)所述板狀金屬片的最小厚度為t時，在所述夾持部的最小壓接長度為大于等于10t，在所述非夾持部的所述板狀金屬片的最小長度為大于等于5t，在所述板狀金屬片的最小厚度方向的所述脆性材料的最小厚度為大于等于5t。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述脆性材料實(shí)質(zhì)上成為一體。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述夾持部的頂端為刃狀、C面或者R面的形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述夾持部為大致圓筒形。
9.根據(jù)權(quán)利要求3或8所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述內(nèi)側(cè)支持體為大致圓筒形或者大致圓柱形。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述外側(cè)支持體為大致圓筒形。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述夾持部、所述內(nèi)側(cè)支持體和所述外側(cè)支持體的各圓筒軸實(shí)質(zhì)上處于同一軸上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～11中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述非夾持部用于與其他的金屬部件連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求1～12中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，板狀金屬片為無接縫的圓筒形狀。
14.根據(jù)權(quán)利要求1～13中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述板狀金屬片的非夾持部具有蓋狀部結(jié)構(gòu)。
15.脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，以由脆性材料構(gòu)成的管狀部為外側(cè)支持體，具有設(shè)置在該管狀部內(nèi)側(cè)的由脆性材料構(gòu)成且比所述外側(cè)支持體短的導(dǎo)管狀內(nèi)側(cè)支持體，以及被夾在所述外側(cè)支持體和所述導(dǎo)管狀內(nèi)側(cè)支持體之間的板狀金屬片；并且所述外側(cè)支持體和所述板狀金屬片直接接觸，所述板狀金屬片和所述導(dǎo)管狀內(nèi)側(cè)支持體直接接觸，進(jìn)而所述外側(cè)支持體和導(dǎo)管狀內(nèi)側(cè)支持體直接接觸。
16.脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，以由脆性材料構(gòu)成的管狀部為內(nèi)側(cè)支持體，具有外側(cè)支持體和板狀金屬片，所述外側(cè)支持體設(shè)置在該內(nèi)側(cè)支持體的外側(cè)，由脆性材料構(gòu)成，比所述內(nèi)側(cè)支持體短，所述板狀金屬片被夾在所述內(nèi)側(cè)支持體和所述外側(cè)支持體之間；并且所述內(nèi)側(cè)支持體和所述板狀金屬片直接接觸，所述板狀金屬片和所述外側(cè)支持體直接接觸，進(jìn)而所述內(nèi)側(cè)支持體和所述外側(cè)支持體直接接觸。
17.根據(jù)權(quán)利要求1～16中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述脆性材料選自由玻璃、陶瓷和金屬陶瓷構(gòu)成的組中。
18.根據(jù)權(quán)利要求14～16中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述外側(cè)支持體和所述內(nèi)側(cè)支持體的熱膨脹系數(shù)差為小于等于2ppm/K。
19.根據(jù)權(quán)利要求14～17中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述外側(cè)支持體的內(nèi)側(cè)面彎曲，或者相對于所述內(nèi)側(cè)支持體的中心軸傾斜。
20.根據(jù)權(quán)利要求15～18中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述外側(cè)支持體具有向內(nèi)側(cè)突出的環(huán)狀部，根據(jù)該環(huán)狀部防止所述板狀金屬片的變形。
21.根據(jù)權(quán)利要求15～20中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述外側(cè)支持體的燒成收縮率大于所述內(nèi)側(cè)支持體的燒成收縮率，所述板狀金屬片根據(jù)燒成時的收縮差被壓接。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，構(gòu)成所述內(nèi)側(cè)支持體的脆性材料的燒成收縮率幾乎為零，所述板狀金屬片根據(jù)所述外側(cè)支持體的燒成時的收縮被壓接。
23.根據(jù)權(quán)利要求15～22中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述板狀金屬片的厚度為20～1000μm。
24.根據(jù)權(quán)利要求15～22中的任意一項(xiàng)所述的脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述外側(cè)支持體的厚度為大于等于0.1mm。
全文摘要
脆性材料—金屬結(jié)構(gòu)體(26)具有脆性材料(24)、(25)和板狀金屬片(21)。板狀金屬片(21)具有被脆性材料壓接夾持的夾持部(23)和沒有被夾持的非夾持部(22)。在夾持部(23)和脆性材料(24)、(25)的接觸界面所產(chǎn)生的應(yīng)力根據(jù)板狀金屬片的變形被緩和。
文檔編號C03C27/02GK1839105SQ20058000079
公開日2006年9月27日 申請日期2005年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月8日
發(fā)明者渡邊敬一郎 申請人:日本礙子株式會社