特許 6280405 接合体及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6280405

(24)【登録日】2018年1月26日

(45)【発行日】2018年2月14日

(54)【発明の名称】接合体及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 37/00 20060101AFI20180205BHJP

   B23K 35/30 20060101ALI20180205BHJP

【ＦＩ】

   C04B37/00 A

   C04B37/00 B

   B23K35/30 310E

【請求項の数】15

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2014-55880(P2014-55880)

(22)【出願日】2014年3月19日

(65)【公開番号】特開2015-178427(P2015-178427A)

(43)【公開日】2015年10月8日

【審査請求日】2016年10月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】泉 有仁枝

(72)【発明者】

【氏名】小林 義政

【審査官】 田中 永一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０１−２８２１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２２２０７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６５９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１０８６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１４８５３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１４／１４８５３４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ３７／００ − ３７／０４

Ｂ２３Ｋ ３５／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＳｉＣ多孔質セラミックス及びアルミナ焼結体のうち１以上である第１部材と、
ステンレス材である第２部材と、
Ｆｅを含む酸化物セラミックスに、該酸化物セラミックスに比して高いヤング率及び低い熱膨張係数を有するＳｉＣの複合粒子が分散しており、前記第１部材と前記第２部材とを接合する接合部と、
を備えた接合体。

【請求項2】

前記接合部は、複合粒子が接合部全体のうち５体積％以上６０体積％以下含まれている、請求項１に記載の接合体。

【請求項3】

前記接合部は、平均粒径が１．０μｍ以上１００μｍ以下の範囲の前記複合粒子を含んでいる、請求項１又は２に記載の接合体。

【請求項4】

前記接合部は、該接合部の厚さＤ（μｍ）に対する前記複合粒子の平均粒径Ｒ（μｍ）の比Ｒ／Ｄが０．０１５以上０．４以下の範囲である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合体。

【請求項5】

前記第１部材と前記第２部材との熱膨張係数の差が４．０ｐｐｍ／Ｋ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合体。

【請求項6】

前記接合部は、主成分である第１成分のＦｅの他に、前記第１成分に固溶する第２成分としてＴｉを含有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合体。

【請求項7】

電気伝導率が１０^-2Ｓ／ｃｍ以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の接合体。

【請求項8】

接合強度が５．０ＭＰａ以上である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の接合体。

【請求項9】

ＳｉＣ多孔質セラミックス及びアルミナ焼結体のうち１以上である第１部材とステンレス材である第２部材とを接合した接合体の製造方法であって、
Ｆｅの粉体と、該Ｆｅの酸化物に比して高いヤング率及び低い熱膨張係数を有するＳｉＣの複合粒子とを混合した金属原料を、前記第１部材と前記第２部材との間に配置した積層体を作製し、該積層体を酸化性雰囲気中、前記Ｆｅ酸化物の融点より低い温度範囲で焼成することにより、前記Ｆｅが酸化し前記複合粒子が分散した酸化物セラミックスにより前記第１部材と前記第２部材とを接合する接合部を形成する接合工程、
を含む接合体の製造方法。

【請求項10】

前記接合工程では、前記複合粒子を前記接合部の全体のうち５体積％以上６０体積％以下含む前記金属原料を用いる、請求項９に記載の接合体の製造方法。

【請求項11】

前記接合工程では、平均粒径が１．０μｍ以上１００μｍ以下の範囲の前記複合粒子を用いる、請求項９又は１０に記載の接合体の製造方法。

【請求項12】

前記接合工程では、前記接合部の厚さＤ（μｍ）に対する前記複合粒子の平均粒径Ｒ（μｍ）の比Ｒ／Ｄが０．０１５以上０．４以下の範囲で前記積層体を作製する、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

【請求項13】

前記接合工程では、前記第１部材と前記第２部材との熱膨張係数の差が４．０ｐｐｍ／Ｋ以上である前記第１部材と前記第２部材とを用いる、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

【請求項14】

前記接合工程では、４００℃以上９００℃以下の範囲で前記積層体を焼成する、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

【請求項15】

前記接合工程では、第１成分であるＦｅと、前記複合粒子と、前記第１成分に固溶する第２成分としてＴｉを含有する第２化合物とを混合した金属原料を用いる、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、接合体及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、マトリックスがＳｉを９０ａｔ．％以上含むＳｉ合金からなり、強化材がＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＣの粉末又は繊維からなるセラミックス−金属複合材料が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この材料では、接合相手である材料の熱膨張係数に応じて熱膨張係数を制御でき、且つ剛性が大きく、耐熱性の優れたものにできるとしている。また、接合体としては、ＳｉＣセラミックスとＳｉＣセラミックスとをＴｉＣ粒子を含むＮｉ合金で接合したものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この接合体では、耐熱性と高機械強度とを有するものを常に均一に経済的に得ることができるとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２−２８４５９０号公報

【特許文献2】特開平４−４６０６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載された接合体では、主相がＳｉ合金であるので、大気中高温などでの耐酸化性に乏しい。また、特許文献２に記載された接合体では、比較的活性の高いＮｉ合金で接合しているため、接合時の雰囲気を真空や不活性雰囲気に制御することを要した。また、特許文献１，２では、高温で使用した際に、ＳｉやＮｉが雰囲気中に飛散するおそれがあり、使用の際に留意する必要があった。

【0005】

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、２つの部材をより簡素に、より信頼性を高めて接合することができる接合体及びその製造方法を提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した主目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、セラミックス部材や金属部材などの複数の部材を、ＳｉＣなどの複合粒子を加えた遷移金属酸化物で接合すると、より簡素に、より信頼性を高めて接合することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。

【0007】

即ち、本発明の接合体は、
第１部材と、
第２部材と、
１以上の遷移金属を含む酸化物セラミックスに、該酸化物セラミックスに比して高いヤング率及び低い熱膨張係数を有する複合粒子が分散しており、前記第１部材と前記第２部材とを接合する接合部と、
を備えたものである。

【0008】

本発明の接合体の製造方法は、
第１部材と第２部材とを接合した接合体の製造方法であって、
遷移金属の粉体と、該遷移金属の酸化物に比して高いヤング率及び低い熱膨張係数を有する複合粒子とを混合した金属原料を、前記第１部材と前記第２部材との間に配置した積層体を作製し、該積層体を酸化性雰囲気中、前記遷移金属酸化物の融点より低い温度範囲で焼成することにより、前記遷移金属が酸化し前記複合粒子が分散した酸化物セラミックスにより前記第１部材と前記第２部材とを接合する接合部を形成する接合工程、
を含むものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明は、２つの部材をより簡素に、より信頼性を高めて接合することができる。この理由は、以下のように推察される。例えば、接合部は、酸化物セラミックスであるため、高温、酸素雰囲気下でも安定である。また、比較的反応性に富む遷移金属粉体を接合部の原料とするため、ある程度、接合対象である部材と反応しやすく、部材の成分を取り込むことにより、この成分が拡散した状態で接合部と部材とを結合できる。その一方、酸化性雰囲気（例えば大気）中での焼成により、金属が酸化することで反応しにくく変化することにより、取り込んだ部材成分が接合部へ拡散しすぎるのを防ぐことが考えられる。また、接合する部材が多孔質セラミックスである場合は、比較的緻密である酸化物セラミックスが多孔質セラミックスの細孔内に侵入して接合部と多孔質セラミックスとを強固に結合する。更に、接合部には、酸化物セラミックスに比して高いヤング率及び低い熱膨張係数を有する複合粒子が分散しているため、接合部の機械的強度をより高めることができ、これにより、接合部をより強固にすることができる。このため、２つの部材をより簡素に、より信頼性を高めて接合することができるものと推察される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】接合体２０の構成の概略の一例を示す説明図。

【図2】接合体２０Ｂの構成の概略の一例を示す説明図。

【図3】酸化物セラミックスの多孔質セラミックスへの侵入深さの説明図。

【図4】接合体２０の一例であるハニカム構造体４０の説明図。

【図5】接合部の遷移金属粉体の熱分析測定結果。

【図6】実験例１の第１部材、第２部材及び接合部の断面のＳＥＭ写真。

【図7】電気抵抗の測定に用いる接合体５０の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

次に、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である接合体２０の構成の概略の一例を示す説明図である。図２は、接合体２０Ｂの構成の概略の一例を示す説明図である。図３は、酸化物セラミックスの多孔質セラミックスへの侵入深さを求める説明図である。図１に示すように、本発明の接合体２０は、多孔質のセラミックスからなる第１部材２２と、金属からなる第２部材２４と、複合粒子３１が分散し第１部材２２と第２部材２４とを接合する遷移金属の酸化物セラミックスの接合部３０と、を備えている。この接合体２０では、接合部３０が第１部材２２の細孔２３に入り込んだ構造を有している。あるいは、図２に示すように、本発明の接合体２０Ｂは、緻密材からなる第１部材２２Ｂと、緻密材からなる第２部材２４Ｂと、複合粒子３１Ｂが分散し第１部材２２Ｂと第２部材２４Ｂとを接合する遷移金属の酸化物セラミックスの接合部３０Ｂと、を備えている。即ち、第１部材及び第２部材は、多孔質材としてもよいし、緻密材としてもよい。また、接合体は、多孔質材と多孔質材とを接合したものとしてもよいし、多孔質材と緻密材とを接合したものとしてもよいし、緻密材と緻密材とを接合したものとしてもよい。以下、本実施形態の接合体について説明する。

【0012】

接合対象である第１部材又は第２部材は、多孔質セラミックスであるものとしてもよい。多孔質セラミックスは、多孔質であるセラミックスであれば特に限定されない。多孔質とは、その表面に開気孔を有するものであればよく、例えば、気孔率が１０体積％以上であるものとしてもよく、２０体積％以上が好ましく、４０体積％以上であるものがより好ましい。また、簡便に作製する観点からは、気孔率は、９０体積％以下であることが好ましい。多孔質セラミックスの気孔率は、その用途などに応じて適宜選択すればよい。この多孔質セラミックスの平均細孔径は、例えば、１μｍ以上３００μｍ以下の範囲が好ましい。この範囲では、接合部の酸化物セラミックスが多孔質セラミックスの細孔内に侵入しやすく、より強固に接合することができる。この平均細孔径は、５μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上が更に好ましい。また、この平均細孔径は、１００μｍ以下がより好ましく、５０μｍ以下が更に好ましい。なお、多孔質セラミックスの気孔率や平均細孔径は、水銀圧入法で測定した結果をいうものとする。

【0013】

この多孔質セラミックスは、例えば、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ホウ素などの炭化物、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウムなどの窒化物、サイアロンなどの酸窒化物、ケイ化モリブデンなどのケイ化物、リン酸ジルコニウムなどから選択される１以上の無機材料を含んで形成されているものとしてもよい。また、多孔質セラミックスは、例えば、コージェライト、ムライト、ゼオライト、チタン酸アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素及び酸化マグネシウムなどから選択される１以上の無機材料を含んで形成されているものとしてもよい。多孔質セラミックスの形状は、特に限定されないが、その用途に応じて選択することができ、例えば、板状、円筒状、ハニカム状などが挙げられ、流体が流通可能な構造であるものとしてもよい。具体的には、この多孔質セラミックスは、流体の流路となる複数のセルを形成する隔壁部を備えたハニカム構造体であるものとすることが好ましい。この多孔質セラミックスは、金属部材と接合される場合には、例えば、導電性を有するものとしてもよい。この場合、多孔質セラミックスは、ＳｉＣと、ＳｉＣを結合するＳｉとを含み、このＳｉＣとこのＳｉとにより細孔が形成されている複合材料であるものとすることが好ましい。このＳｉ結合ＳｉＣセラミックスでは、導電性を有するため、例えば、電極としての金属部材を接合することがあり、本発明を適用する意義が高い。

【0014】

接合対象である第１部材又は第２部材は、緻密材であるものとしてもよい。緻密材は、気孔率の低い緻密な部材であれば特に限定されず、例えば、金属部材としてもよいし、緻密なセラミックスとしてもよい。緻密材は、例えば、気孔率が５体積％以下であるものとしてもよく、１体積％以下が好ましく、０．５体積％以下であるものがより好ましい。金属部材は、典型金属、遷移金属など、金属からなるものであれば特に限定されないが、例えば、導電性の高いものが好ましい。遷移金属では、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属及び合金が好ましい。また、用途に応じては、Ｐｔ、Ａｕなどの貴金属を用いるものとしてもよい。この金属部材は、電極であるものとしてもよく、この場合、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金（ＳＵＳ３０４）やＣｒ−Ｆｅ系合金（ＳＵＳ４３０）などのステンレス鋼などが好適に用いられる。この金属部材は、少なくともＦｅとＣｒとを含む合金であることが好ましく、少なくともＦｅが７０質量％以上９０質量％未満であり、Ｃｒが１０質量％以上３０質量％未満の合金であることがより好ましい。材質的に安定であり、導電性が良好だからである。金属部材の形状は、板状など、用途に応じて適宜選択することができる。緻密なセラミックスとしては、例えば、上記多孔質セラミックスで挙げた材質のいずれかを緻密に焼結したものとしてもよいし、多孔質セラミックスの気孔に充填材や含浸材などを充填した部材としてもよいし、複数種の金属を含む複合酸化物部材としてもよい。充填した部材としては、具体的には、多孔質のＳｉＣの気孔に金属Ｓｉを含浸させたＳｉ含浸ＳｉＣ焼結体などが挙げられる。この材料では、熱伝導性がよく、且つ金属Ｓｉにより導電性がよい。また、複合酸化物部材としては、例えば、ＬａＣｒＯ₃基材料やＢａＴｉＯ₃基材料、ＬａＭｎＯ₃基材料、ＬａＣｏＯ₃基材料、ＮａＣｏＯ₄基材料、Ｃａ₃Ｃｏ₄Ｏ₉基材料、ＬａＮｉＯ₃基材料、ＳｒＴｉＯ₂基材料などの導電性セラミックス材が挙げられる。なお、「基材料」とは、例えば、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属及び価数の異なる元素により一部が置換された材料をも含む趣旨である。具体的には、ＬａＭｎＯ₃基材料では、（Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1）ＭｎＯ₃などである。これらの材料は、燃料電池（例えばＳＯＦＣ）用材料、熱電素子材料及びセンサ材料などに用いることができる。

【0015】

本発明の接合部は、１以上の遷移金属を含む酸化物セラミックスからなり第１部材と第２部材とを接合するものである。導電性を有する第１部材と導電性を有する第２部材とを接合する場合、遷移金属酸化物は導電性を有するため、接合部に好ましい。遷移金属としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗから選ばれる１以上を含むことが好ましく、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕなどが、より好ましい。例えば、酸化物セラミックスは、Ｆｅ₂Ｏ₃や、ＮｉＯ、ＭｎＯ₂、ＣｕＯのうち１以上であるものとしてもよい。この酸化物セラミックスは、その用途に応じて、導電性を有していてもよいし、導電性を有していないものとしてもよい。例えば、第１部材と第２部材とを固定するのみであれば、酸化物セラミックスは導電性を有していなくてもよい。また、導電性を有する第１部材と第２部材とを接合する際には、酸化物セラミックスは導電性を有するものとする。ここで、「導電性を有する」とは、電気伝導率が１０^-6Ｓ／ｃｍ以上であるものをいうものとし、「導電性を有しない」とは、例えば、電気伝導率が１０^-6Ｓ／ｃｍ未満であるものをいうものとする。

【0016】

本発明の接合部には、酸化物セラミックスに比して高いヤング率及び低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する、接合部に複合させる複合粒子（添加粒子）が分散している。この複合粒子は、例えば、酸化物セラミックスに対して５０％以上高いヤング率を有していることが好ましく、１００％以上高いヤング率を有していることがより好ましい。この複合粒子は、例えば、酸化物セラミックスに対して５％低い熱膨張係数を有していることが好ましく、２０％低い熱膨張係数を有していることがより好ましい。このように、高ヤング率で低熱膨張係数を有してると、強固な接合部を形成することができる。この複合粒子は、高ヤング率及び低熱膨張係数を有していれば特に限定されないが、例えば、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＺｒＯ₂（部分安定化ジルコニアも含む）、ムライトのうちいずれか１以上であるものとしてもよい。このうち、ＳｉＣやＡｌ₂Ｏ₃などが好ましい。具体的には、酸化物セラミックスがＦｅ₂Ｏ₃であるときに、複合粒子がＳｉＣやＡｌ₂Ｏ₃であることが好ましい。なお、Ｆｅ₂Ｏ₃はヤング率が１２０〜１５０ＧＰａ程度であり、室温から８００℃での熱膨張係数が１１〜１４ｐｐｍ／Ｋ程度である。また、ＳｉＣはヤング率が３５０〜４５０ＧＰａ程度であり、熱膨張係数が４〜４．５ｐｐｍ／Ｋ程度である。また、Ａｌ₂Ｏ₃はヤング率が２５０〜４００ＧＰａ程度であり、熱膨張係数が６．５〜８．０ｐｐｍ／Ｋ程度である。複合粒子は、例えば、平均粒径Ｒが１μｍ以上１００μｍ以下の範囲であることが好ましい。この範囲では、接合部の強度をより向上することができ、好ましい。複合粒子は、平均粒径Ｒが５μｍ以上６０μｍ以下の範囲であることがより好ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲であることが更に好ましい。原料粒子の平均粒径は、レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置を用い、水を分散媒として測定したメディアン径（Ｄ５０）をいうものとする。

【0017】

本発明の接合部は、接合部の厚さＤ（μｍ）に対する複合粒子の平均粒径Ｒ（μｍ）の比Ｒ／Ｄが０．０１５以上０．４以下の範囲であることが好ましい。この比Ｒ／Ｄがこの範囲では、接合強度をより高めることができ、好ましい。接合部は、例えば、その厚さＤが１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲で形成されているものとしてもよいし、５０μｍ以上３５０μｍ以下の範囲で形成されているものとしてもよい。厚さＤが１０μｍ以上では、接合部が十分存在し接合性をより高めることができる。また、厚さＤが５００μｍ以下では、接合部がより十分酸化するため接合性をより高めることができる。また、接合部は、複合粒子が接合部全体のうち５体積％以上６０体積％以下の範囲で含まれていることが好ましい。この範囲では、接合強度をより高めることができ、好ましい。この複合粒子の含有量は、１０体積％以上５０体積％以下の範囲で含まれていることがより好ましく、１５体積％以上４０体積％以下の範囲で含まれていることが更に好ましい。

【0018】

本発明の接合部は、多孔質セラミックスである第１部材と第２部材との間に介在し、多孔質セラミックスの細孔内に侵入し、この多孔質セラミックスと第２部材とを接合する酸化物セラミックスとしてもよい。この酸化物セラミックスが多孔質セラミックスの細孔に侵入する構造を有すると、接合強度をより高めることができ好ましい。この酸化物セラミックスが多孔質セラミックスの細孔に侵入した深さ（侵入深さ）は、１０μｍ以上であることが好ましい。接合強度をより高めることができるからである。この侵入深さは、１５μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることが更に好ましい。また、この侵入深さは、５０μｍ以下の範囲であることが好ましい。この侵入深さの測定方法について説明する。図３に示すように、多孔質セラミックスである第１部材２２、第２部材２４及び酸化物セラミックスである接合部３０が同時に観察できる断面を鏡面研磨する。この研磨した面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により２００倍の倍率で観察し、微構造写真を撮影する。次に、撮影した画像において、第２部材２４の下端の線と平行な線を、多孔質セラミックスの最上部に接するように引く。この線を基準線（図３の一点鎖線）とし、侵入深さ０とする。次に、基準線を６等分し、これに直交する直線を５本引き、測定線（図３の線（１）〜（５））とする。基準線と測定線の交点を始点とし、酸化物セラミックスの下端と交わった点を終点とし、この長さを５本の測定線について測定する。撮影した倍率に応じたこれら５本の長さを求め、その平均を侵入深さとする。

【0019】

この接合部において、第１部材又は第２部材と、酸化物セラミックスとの界面の反応層は、３．０μｍ以下であることが好ましく、１．０μｍ以下であることがより好ましく、０．１μｍ以下であることが更に好ましい。第１部材と第２部材とを接合部で接合する接合処理を行う際に、加熱を行うと、第１部材及び／又は第２部材と、酸化物セラミックスとが反応し、複合相が生成することがある。このような複合相を含む反応層はできる限り少ない方が好ましく、この反応層は存在しないことが、更に好ましい。この反応層の厚さは、図３に示した侵入深さの測定と同様に行うことができる。具体的には、接合体の断面を３０００倍の倍率でＳＥＭ−ＥＤＸにて観察し、この画像の界面を５等分する界面に垂直な垂線（測定線）を５本引き、界面に生成した反応層の下限と上限と、測定線の交点との間の長さを測定し、５カ所の平均を反応層の厚さとする。

【0020】

本発明の接合部は、その気孔率が９０体積％以下であることが好ましく、５０体積％以下であることがより好ましく、３０体積％以下であることが更に好ましい。酸化物セラミックスは、緻密体である方が接合強度の観点からは、より好ましい。この接合部は、その気孔率が５体積％以上であることが好ましく、１０体積％以上であることがより好ましく、２０体積％以上であることが更に好ましい。酸化物セラミックスは、気孔を有する方が応力緩和の面からは、より好ましい。また、第１及び第２部材が多孔質セラミックスである場合、接合部は、酸化物セラミックスが細孔内に侵入した侵入部とこの侵入部以外の部分である非侵入部とを含む。この非侵入部の気孔率は、６０体積％以下であることが好ましく、５０体積％以下であることがより好ましく、３０体積％以下であることが更に好ましい。酸化物セラミックスは、緻密体である方が、接合強度の観点からは、より好ましい。この気孔率の下限は０体積％である。また、侵入部の酸化物セラミックスの気孔率は、５０体積％以下であることが好ましい。多孔質セラミックスに侵入した酸化物セラミックスは、それ以外の接合部に比してより緻密であることが、接合強度の観点からは、より好ましい。この多孔質セラミックスの細孔内部に侵入した酸化物セラミックスの気孔率は、３０体積％以下であることがより好ましく、２０体積％以下であることが更に好ましい。この気孔率の下限は０体積％である。この酸化物セラミックスの気孔率の算出方法を説明する。上述のようにＳＥＭにより撮影した微構造写真の画像を画像解析ソフトを用いて画像解析することにより、酸化物セラミックスの気孔率を求めるものとする。まず、接合部のうち酸化物セラミックスが細孔内に侵入していない非侵入部の場合、微構造写真から、接合部のうち面積０．５×１０^-6ｍ²の部分を任意に選択し、二値化処理を行い、細孔と酸化物セラミックスとの像を区別する。二値化処理を行う条件は、得られた画像に応じて、適宜設定するものとし、例えば経験的に求めた値を用いるものとする。この二値化処理した画像により、酸化物セラミックスとその細孔とを分離し、その面積比を算出することで気孔率とする。なお、この断面の面積比は、体積比にほぼ相当するものとして気孔率（体積％）とする。また、接合部のうち酸化物セラミックスが細孔内に侵入している侵入部の場合、微構造写真から、上述した基準線と多孔質セラミックスとに挟まれた範囲のうち接合部を含む領域を、合計面積が１．５×１０^-8ｍ²となるよう任意に選択し、二値化処理を行い、細孔と酸化物セラミックスとの像を区別する。そして、上記非侵入部と同様に、この二値化処理した画像により、酸化物セラミックスとその細孔とを分離し、その面積比を算出することで気孔率とする。なお、緻密体である第１及び第２部材を接合した接合体では、非侵入部及び侵入部を区別することなく、上述した画像解析により、酸化物セラミックスの気孔率を求めるものとする。

【0021】

本発明の接合部において、酸化物セラミックスは、酸化前の体積Ｘに対する酸化後の体積Ｙの比である体積変化比Ｙ／Ｘが０．７以上であることが好ましい。この体積変化比Ｙ／Ｘは、１．３以上であることがより好ましく、１．６以上であることが更に好ましい。例えば、多孔質セラミックスを接合する場合、この体積変化比が大きいほど、酸化による膨張などで多孔質セラミックスの細孔内に酸化物セラミックスが侵入しやすく好ましい。例えば、体積変化比Ｙ／Ｘは、Ｆｅ₂Ｏ₃／Ｆｅが２．１４、ＣｕＯ／Ｃｕが１．７７、Ｍｎ₂Ｏ₃／Ｍｎが２．２２、ＮｉＯ／Ｎｉが１．６２、ＭｇＯ／Ｍｇが０．７９、Ａｌ₂Ｏ₃／Ａｌが１．２８である。

【0022】

本発明の接合部において、酸化物セラミックスは、主成分としての遷移金属である第１成分の他に、金属元素である第２成分を含有することが好ましい。接合部が第２成分を含むと、酸化物セラミックスの第１成分の酸化物（主酸化物とも称する）に第２成分が固溶することなどによって導電性が更に付与され、加熱使用による導電性の低下などをより抑制でき、好ましい。また、接合部が第２成分を含むと、接合部の電気抵抗をより低減することができ、発熱が起きにくく、好ましい。この第２成分は、例えば、酸化物セラミックスの第１成分の価数と異なる価数の金属元素であることが好ましく、第１成分と同種の金属としてもよいし、異種の金属であるものとしてもよい。この第２成分は、例えば、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｇａ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｎｂ，Ｓｂ及びＴａのうち１以上の元素であることが好ましい。この接合部は、例えば、第１成分を含む原料に第２成分を含む化合物（第２化合物とも称する）を添加して作製されているものとしてもよい。この第２化合物は、導電助材としてもよい。この第２化合物は、炭酸塩、酸化物、水酸化物、硝酸塩であるものとしてもよく、このうち炭酸塩や酸化物であるものとしてもよい。第２成分の含有量は、例えば、接合部の元素のモル量基準で、０．２ｍｏｌ％以上であることが好ましく、０．５ｍｏｌ％以上であることがより好ましく、１．０ｍｏｌ％以上であることが更に好ましい。また、この含有量は、５０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、３０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、１５ｍｏｌ％以下であることが更に好ましい。具体的には、酸化物セラミックスの主酸化物がＦｅ₂Ｏ₃であるときに、第２化合物は、例えば、同種元素ではＦｅ₃Ｏ₄やＦｅＯ、異種元素ではＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂などが挙げられる。また、主酸化物がＣｕＯやＮｉＯであるときには、第２化合物は、例えば、Ｌｉ₂ＣＯ₃やＮａ₂ＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃などが挙げられる。なお、「主酸化物」とは、接合部の構成化合物のうち最も含有量が多い酸化物をいい、例えば、接合部の４０ｍｏｌ％以上の酸化物としてもよいし、５０ｍｏｌ％以上の酸化物としてもよいし、７０ｍｏｌ％以上の酸化物としてもよい。

【0023】

また、導電性を有する第１部材及び第２部材を接合した本発明の接合体は、電気伝導率が、１０^-6Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。また１０^-3Ｓ／ｃｍ以上であることがより好ましく、１０^-2Ｓ／ｃｍ以上であることが更に好ましい。電気伝導率は、高いほど導電性に優れ接合体として効率良く電気を利用できる。この電気伝導率は、材料の構成上、上限は１０³Ｓ／ｃｍ程度といえる。電気伝導率は、接合体に電極を焼き付けたものを測定試料とし、２端子法にて測定するものとする。

【0024】

また本発明の接合体は、第１部材と第２部材との接合性が高いことが好ましい。接合性が高いとは、第１部材及び第２部材と接合部である酸化物セラミックスとの界面に剥離や、多孔質セラミックス、金属部材、接合部である酸化物セラミックスにクラックの発生が認められないことをいうものとする。接合性の評価方法を説明する。本発明の接合体を樹脂で包含し、ダイヤモンドスラリー等で鏡面程度まで研磨し観察試料を作製する。次に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１５００倍以上の倍率で観察して、多孔質セラミックス及び金属部材と接合部との剥離や、多孔質セラミックス、金属部材、接合部におけるクラックの発生を確認する。この確認結果に基づいて、第１部材と第２部材との接合性を評価することができる。

【0025】

本発明の接合体は、第１部材と第２部材との接合強度が５．０ＭＰａ以上であることが好ましい。また、この接合強度は５．５ＭＰａ以上がより好ましく、１０ＭＰａ以上が更に好ましい。接合強度は高ければ高いほど強固に接合し、信頼性が高まるため好ましいが、材料の構成上、上限は５００ＭＰａ程度といえる。この接合強度は、引張試験（ＪＩＳ−Ｒ１６０６に準拠）により評価した値とする。

【0026】

本発明の接合体は、遷移金属の粉体と、この遷移金属の酸化物に比して高いヤング率及び低い熱膨張係数を有する複合粒子とを混合した金属原料を、第１部材と第２部材との間に配置した積層体を作製し、この積層体を酸化性雰囲気中、遷移金属酸化物の融点より低い温度範囲で焼成することにより形成された酸化物セラミックスにより第１部材と第２部材とを接合する接合工程を経て作製されているものとしてもよい。この工程では、焼成によって金属原料が酸化して得られた酸化物セラミックスにより接合部が形成される。焼成する接合温度は、接合部の材質に応じて好適な範囲が設定されるが、４００℃以上がより好ましく、５００℃以上がより好ましく、６００℃以上が更に好ましい。また、接合温度は、９００℃以下が好ましく、８５０℃以下がより好ましく、８００℃以下が更に好ましい。この接合温度は、十分酸化する観点からはより高い方が好ましく、エネルギー消費の観点からはより低い方が好ましい。本発明の接合体において、接合部は、平均粒径が１μｍ以上４０μｍ以下である遷移金属の粉体を用いて作製されているものとしてもよい。この接合部の平均粒径は、３０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましい。また、この平均粒径は、３μｍ以上であることが好ましく、５μｍ以上がより好ましい。複合粒子の平均粒径は、上述した範囲、例えば、平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下の範囲であることが好ましい。

【0027】

本発明の接合体は、第１部材と第２部材との熱膨張係数の差が４．０ｐｐｍ／Ｋ以上であるものとしてもよい。熱膨張係数の差が比較的大きい部材を接合した接合体であっても、酸化物セラミックスの接合部により、接合強度や導電性を保つことができる。特に、繰り返し加熱して使用される接合体においても、接合強度及び導電性を保つことができる。この熱膨張係数の差は、６．０ｐｐｍ／Ｋ以上であるものとしてもよいし、１２ｐｐｍ／Ｋ以下であるものとしてもよい。例えば、熱膨張係数は、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金（ＳＵＳ３０４）では１８．７ｐｐｍ／Ｋであり、Ｃｒ−Ｆｅ系合金（ＳＵＳ４３０）では１２ｐｐｍ／Ｋ、Ｓｉ結合ＳｉＣ焼結体では４．５ｐｐｍ／、Ａｌ₂Ｏ₃では７．０ｐｐｍ／Ｋである。

【0028】

本発明の接合体は、第１部材と第２部材とを接合した構造を有するものとすれば特に限定されず、例えば、ハニカム構造体、熱電素子、セラミックスヒーター、酸素やＮＯｘなどのガス検出センサー、燃料電池などに用いることができる。例えば、ハニカム構造体においては、金属部材に電圧を印加することによりハニカム構造体を加熱するものなどに好適に用いられる。図４は、接合体２０の一例であるハニカム構造体４０の説明図である。このハニカム構造体４０は、電極端子４５に電圧を印加することによりハニカム基材４１を加熱するよう構成されている。このハニカム構造体４０は、ハニカム基材４１と、第１部材２２に相当しハニカム基材４１に比して高い導電性を有する高導電性多孔質部４２と、第２部材２４に相当し高導電性多孔質部４２に接合された金属電極４４と、金属電極４４に接続された電極端子４５とを備えている。上述の図１に示した接合体２０と同様に、接合部３０は、複合粒子３１が分散し、高導電性多孔質部４２と金属電極４４とを接合する、１以上の遷移金属を含む酸化物セラミックスである。このとき、接合部３０は、例えば、導電性を有する金属酸化物であるものとしてもよい。なお、ハニカム基材４１と高導電性多孔質部４２との導電性の違いは、例えば、金属の含有量の違いによるものとしてもよい。例えば、ハニカム構造体がＳｉ結合ＳｉＣセラミックスにより形成されている場合、高導電性多孔質部４２はＳｉの含有量がより多いものとしてもよい。

【0029】

次に、本発明の接合体の製造方法について説明する。本発明の接合体の製造方法は、例えば、第１部材及び第２部材を作製する基材作製工程と、第１部材及び第２部材の間に接合部を形成しこれらを接合する接合工程と、を含むものとしてもよい。なお、第１部材及び第２部材を別途用意し、基材作製工程を省略するものとしてもよい。

【0030】

［基材作製工程］
この工程では、基材を作製する。例えば、第１部材が多孔質セラミックス又は緻密セラミックスであるときには、原料を混合し、所定の成形方法で成形し成形した成形体を焼成することにより基材を作製するものとしてもよい。この多孔質セラミックスは、例えば、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ホウ素などの炭化物、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウムなどの窒化物、サイアロンなどの酸窒化物、ケイ化モリブデンなどのケイ化物、リン酸ジルコニウムなどから選択される１以上の無機材料を含んで形成するものとしてもよい。また、多孔質セラミックスは、例えば、コージェライト、ムライト、ゼオライト、チタン酸アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素及び酸化マグネシウムなどから選択される１以上の無機材料を含んで形成するものとしてもよい。この工程では、例えば、骨材である無機材料と、造孔材と、分散媒と、を混合して坏土やスラリーを調整してもよい。このとき、多孔質セラミックスの気孔率や平均細孔径は、上述した範囲、例えば、気孔率は１０体積％以上の範囲、平均細孔径は１μｍ以上３００μｍ以下の範囲になるように原料配合を調製することが好ましい。また、この工程では、多孔質セラミックスの気孔に含浸材を含浸する処理を行い、第１部材とするものとしてもよい。この含浸処理は、例えば、多孔質セラミックスの上に含浸基材を形成し、含浸基材が溶融する温度で加熱するものとしてもよい。多孔質セラミックスが、Ｓｉ結合ＳｉＣ焼結体であるときに、含浸材は金属Ｓｉとしてもよい。

【0031】

この工程では、第１及び第２部材が金属部材であるときには、所定の形状に金属を加工するものとしてもよい。金属部材としては、典型金属、遷移金属など、金属からなるものであれば特に限定されないが、例えば、導電性の高いものが好ましい。遷移金属では、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属及び合金が好ましい。また、用途に応じては、Ｐｔ、Ａｕなどの貴金属を用いるものとしてもよい。この金属部材は、例えば、板状に加工するものとしてもよい。

【0032】

この工程で作製する第１部材と第２部材とは、その熱膨張係数の差が４．０ｐｐｍ／Ｋ以上であるものとしてもよいし、６．０ｐｐｍ／Ｋ以上であるものとしてもよい。熱膨張係数の差が比較的大きい部材を接合した接合体であっても、複合粒子が分散した酸化物セラミックスの接合部により、接合強度や導電性を保つことができる。特に、繰り返し加熱して使用される接合体においても、接合強度及び導電性を保つことができる。

【0033】

この基材作製工程について、例えば、多孔質セラミックスとしてＳｉ結合ＳｉＣセラミックス（複合材料）を作製する場合について具体的に説明する。この場合、例えば、ＳｉＣ粉末とＳｉ粉末とを所定の体積割合で混合し、水などの分散媒、造孔材に加えて、更に、これに有機バインダ−等を添加して混練し、可塑性の坏土を形成することができる。造孔材としては、のちの焼成により焼失するものが好ましく、例えば、澱粉、コークス、発泡樹脂などを用いることができる。バインダーとしては、例えばセルロース系などの有機系バインダーを用いることが好ましい。分散剤としては、エチレングリコールなどの界面活性材を用いることができる。この多孔質セラミックスは、例えば、セルが並んで配設される形状の金型を用いて上述した任意の形状に押出成形することによりハニカム成形体として形成するものとしてもよい。得られたハニカム成形体は、乾燥処理、仮焼処理、焼成処理を行うことが好ましい。仮焼処理は、焼成温度よりも低い温度でハニカム成形体に含まれる有機物成分を燃焼除去する処理である。焼成温度は、１４００℃以上１５００℃以下とすることができ、１４３０℃以上１４５０℃以下が好ましい。焼成雰囲気は特に限定されないが、不活性雰囲気が好ましく、Ａｒ雰囲気がより好ましい。このような工程を経て、焼結体であるハニカム基材（Ｓｉ結合ＳｉＣセラミックス）を得ることができる。

【0034】

［接合工程］
この工程では、まず、遷移金属の粉体と、複合粒子とを混合した金属原料を、第１部材と第２部材との間に配置した積層体を作製する。次に、この積層体を酸化性雰囲気中、上記遷移金属の酸化物の融点より低い温度範囲で焼成することにより、遷移金属が酸化し、複合粒子が分散している酸化物セラミックスにより第１部材と第２部材とを接合する接合部を形成する。第１部材及び第２部材は、上述したいずれかの部材を用いるものとすればよい。なお、酸化性雰囲気とは、酸素を含む雰囲気としてもよく、大気、及び大気に酸素や不活性ガス、水蒸気などのうち１以上を添加した気体としてもよい。遷移金属粉体は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗから選ばれる１以上を含むことが好ましく、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕなどが、より好ましい。この遷移金属粉体は、例えば、平均粒径が１μｍ以上４０μｍ以下の範囲のものを用いることが好ましい。この範囲では、適切な接合強度が得られやすい。この接合部の原料の平均粒径は、３０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましく、５μｍ以下が更に好ましい。また、この平均粒径は、３μｍ以上であることがより好ましい。なお、金属酸化物の粉体は、加熱処理によっても第１部材及び第２部材との接合が十分でないため、接合部の原料としては適切でない。複合粒子は、上述したように、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＺｒＯ₂（部分安定化ジルコニアも含む）、ムライトのうちいずれか１以上であるものとしてもよく、このうち、ＳｉＣやＡｌ₂Ｏ₃などが好ましい。この複合粒子は、平均粒径Ｒが１μｍ以上２００μｍ以下の範囲であるものを用いることがより好ましく、５μｍ以上６０μｍ以下の範囲が更に好ましい。この工程では、遷移金属粉体と複合粒子と、場合によってはバインダーを溶媒に加えて混合したペーストを作製し、このペーストを金属原料として第１及び／又は第２部材に塗布する。溶媒は、例えば、テルピネオールなどの有機溶媒を用いることができる。複合粒子は、例えば、接合部の全体に対して５体積％以上６０体積％以下の範囲となるように遷移金属粉体に添加することが好ましい。この複合粒子の添加量は、１０体積％以上５０体積％以下の範囲がより好ましく、１５体積％以上４０体積％以下の範囲が更に好ましい。ペーストの塗布厚さは、接合部の厚さに合わせて適宜設定すればよい。

【0035】

この工程では、主成分の遷移金属である第１成分や複合粒子などの他に、金属元素である第２成分を含む化合物（第２化合物）を接合部の原料粉体（金属原料）に添加することが好ましい。この第２化合物は、導電助材としてもよい。接合部に第２化合物を添加すると、酸化物セラミックスの主酸化物に第２化合物が固溶することなどによって導電性が更に付与され、加熱使用による導電性の低下などをより抑制でき、好ましい。また、接合部に第２化合物を添加すると、接合部の電気抵抗をより低減することができ、発熱が起きにくく、好ましい。この第２化合物は、例えば、主酸化物の価数と異なる価数の金属元素を含んでいる化合物であることが好ましく、主酸化物と同種の金属を含むものとしてもよいし、異種の金属を含むものとしてもよい。この第２化合物は、例えば、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｇａ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｎｂ，Ｓｂ及びＴａのうち１以上の元素を含むことが好ましい。第２化合物は、炭酸塩であるものとしてもよいし、酸化物であるものとしてもよい。第２化合物の添加量は、例えば、接合部のすべての元素のモル量基準で、０．２ｍｏｌ％以上であることが好ましく、０．５ｍｏｌ％以上であることがより好ましく、１．０ｍｏｌ％以上であることが更に好ましい。また、この含有量は、５０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、３０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、１５ｍｏｌ％以下であることが更に好ましい。具体的には、酸化物セラミックスの主酸化物がＦｅ₂Ｏ₃であるときに、第２化合物としては、例えば、同種元素ではＦｅ₃Ｏ₄やＦｅＯ、異種元素ではＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂などが挙げられる。また、主酸化物がＣｕＯやＮｉＯであるときには、第２化合物は、例えば、Ｌｉ₂ＣＯ₃やＮａ₂ＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃などが挙げられる。

【0036】

接合工程では、第１及び第２部材の移動を制限した状態で積層体を焼成することが好ましい。こうすれば、積層体のずれなどを防止することができる。また、第１及び第２部材と接合部とをより確実に接合することができるものと考えられる。ここで、「移動を制限」とは、例えば、押さえ治具などにより押さえる程度の加重を与えて積層体を固定するものとしてもよい。積極的に加圧して第１部材と第２部材とを固定することも可能であるが、製造工程の簡略化の観点からは、そのような処理を省略する方が好ましい。接合処理は、例えば酸化性雰囲気（例えば大気中）で行うことができる。接合温度（焼成温度）は、４００℃以上９００℃以下が好ましい。この温度範囲では、遷移金属粉体を酸化物セラミックスに酸化することができる。この接合温度は、接合部の材質に応じて好適な範囲が設定されるが、５００℃以上がより好ましく、６００℃以上が更に好ましい。また、接合温度は、８５０℃以下がより好ましく、８００℃以下が更に好ましい。この接合温度は、十分酸化する観点からはより高い方が好ましく、エネルギー消費の観点からはより低い方が好ましい。このように、大気中という簡易な雰囲気、且つ９００℃以下というより低温で接合処理を行うことができる。また、この工程では、酸化物セラミックスの気孔率が６０体積％以下となるように焼成することが好ましく、５０体積％以下がより好ましく、３０体積％以下が更に好ましい。酸化物セラミックスは、緻密体である方が、接合強度の観点からは、より好ましい。また、この工程では、酸化物セラミックスの気孔率が５体積％以上となるように焼成することが好ましく、１０体積％以上となるように焼成することがより好ましく、２０体積％以上となるように焼成することが更に好ましい。酸化物セラミックスは、気孔を有すると、応力緩和の面からは、より好ましい。

【0037】

以上説明した本実施形態の接合体及びその製造方法によれば、２つの部材をより簡素に、より信頼性を高めて接合することができる。この理由は、以下のように推察される。例えば、接合部は、酸化物セラミックスであるから、高温、酸素雰囲気下でも安定である。また、比較的反応性に富む遷移金属粉体を接合部の原料とするため、ある程度、第１及び第２部材と反応しやすく、これらの部材の成分を取り込むことにより、この成分が拡散した状態で接合部と第１及び第２部材とを結合できる。その一方、酸化性雰囲気（大気）中での焼成により、遷移金属が酸化することで反応しにくく変化することにより、部材から取り込んだ成分が接合部へ拡散しすぎるのを防ぐことが考えられる。また、接合する部材が多孔質セラミックスである場合は、比較的緻密である酸化物セラミックスが多孔質セラミックスの細孔内に侵入して接合部と多孔質セラミックスとを強固に結合する。更に、接合部には、酸化物セラミックスに比して高いヤング率及び低い熱膨張係数を有する複合粒子が分散しているため、接合部の機械的強度をより高めることができ、これにより、第１部材及び第２部材をより強固に接合することができる。このため、２つの部材をより簡素に、より信頼性を高めて接合することができる。また、本実施形態の接合体では、比較的大きな熱膨張係数の差がある部材を接合することができる。この理由は、例えば、接合部に複合粒子が存在することにより、第１部材と第２部材との間に発生する応力を緩和していることや、接合部の界面で物質移動があることで傾斜的に熱膨張係数が変化していることなどが考えられる。また、本実施形態の接合体では、接合時に真空や不活性ガス雰囲気などの雰囲気制御を要さず、大気中低温で容易に接合することができる。

【0038】

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

【実施例】

【0039】

以下には、接合体を具体的に製造した例を実験例として説明する。なお、実験例１〜９が本発明の実施例に相当し、実験例１０が比較例に相当する。本実施例では、接合対象である部材として、多孔質セラミックス、緻密セラミックス及び金属部材などを用いた。

【0040】

［多孔質セラミックスの作製］
多孔質セラミックスとして、Ｓｉ結合ＳｉＣ焼結体、及びＡｌ₂Ｏ₃焼結体を作製した。Ｓｉ結合ＳｉＣ焼結体の多孔質セラミックスの原料として、ＳｉＣ粉末及び金属Ｓｉ粉末を体積比で３８：２２となるように混合して「混合粉末」を作製した。上記「混合粉末」に、バインダとしてヒドロキシプロピルメチルセルロース、造孔材としてデンプン、吸水性樹脂を添加すると共に、水を添加して多孔質材料用原料（成形原料）とした。成形原料を混練し円柱状の坏土を作製した。得られた円柱状の坏土を押出し成形機にて押出し成形することによりハニカム状の成形体を作製した。この成形体を、大気雰囲気下１２０℃にて乾燥し乾燥体を得た。この乾燥体を大気雰囲気下、４５０℃にて脱脂後、常圧のＡｒ雰囲気下、１４５０℃で２時間焼成した。このようにして得た、ハニカム状の多孔質セラミックスから１０×２０×３５ｍｍの直方体状の試料を切り出し、基材（多孔質セラミックス）を得た。この基材は、水銀ポロシメーター（マイクロメトリックス社製オートポアIV９５２０）を用いた水銀圧入法により測定した気孔率が４０体積％であり、同様の方法で測定した平均細孔径が１０μｍであった。Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は、アルミナ粉体を造孔材と共に混練して坏土とし、この坏土をプレス成形し、１４００℃で焼結した。この基材は、気孔率が４０体積％であり、平均細孔径が１０μｍであった。

【0041】

金属部材として、ステンレス材（ＳＵＳ）を用意した。ステンレス材は、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金（ＳＵＳ３０４）を用いた。この金属部材は、１５×１５×０．１ｍｍの平板状に切り出して実験に用いた。また、金属部材は、水銀ポロシメーターを用いた水銀圧入法により測定した気孔率が０．１体積％以下であった。

【0042】

［接合体の作製］
Ｆｅ金属粉体と、複合粒子（ＳｉＣ粒子又はＡｌ₂Ｏ₃粒子）と、バインダーとしてのポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）と、溶媒としてのテルピネオールとを混合し、接合材ペーストを作製した。ＳｉＣ粒子は平均粒径が２７．３μｍのものを用い、Ａｌ₂Ｏ₃粒子は平均粒径が１２．６μｍのものを用いた。この接合材ペーストを、接合対象である２つの部材の上に塗布し、これらをペースト側を内側にして貼り合わせた。貼り合わせたサンプルを大気中８０℃で１晩放置し、テルピネオールを十分乾燥させた。このサンプルの上に押さえ治具を載せて２つの部材のずれを規制した状態とし、大気中２００〜８００℃で焼成（接合）した。

【0043】

［実験例１〜８］
実験例１は、第１部材をＳｉ結合ＳｉＣ焼結体とし、第２部材をステンレス材とし、接合部の遷移金属粉体を平均粒径５μｍのＦｅ粉末とし、第２化合物（導電助材）をＴｉＯ₂とし、複合粒子を平均粒径２７．３μｍのＳｉＣ粒子とした。実験例１〜８は、第２化合物をそれぞれ１．０質量％、０．８質量％、０．７質量％、０．６質量％、０．６質量％、０．５質量％、０．４質量％、０質量％添加した。複合粒子は、接合部全体のうち、体積割合で１１．９質量％加えて接合部の金属原料とした。実験例２〜７は、接合部の金属原料に含まれる複合粒子をそれぞれ２３．３質量％，３２．１質量％，４４．８質量％，４７．８質量％，５４．９質量％，６４．６質量％とした以外は実験例１と同様とした。実験例８は、複合粒子を平均粒径１２．６μｍのＡｌ₂Ｏ₃とし、接合部全体のうち複合粒子を３０質量％加えた以外は、実験例１と同様に作製した。なお、各サンプルの第１部材及び第２部材をまとめて表１に示し、接合部原料の種類、配合比率、接合条件をまとめて表２に示す。

【0044】

［実験例９］
実験例９は、第１部材をアルミナ焼結体とし、遷移金属粉体を平均粒径３μｍのＦｅ粉末とし、接合部全体のうち複合粒子を２２．０体積％加えた以外は、実験例１と同様に作製した。

【0045】

［実験例１０］
実験例１０は、複合粒子を用いなかった以外は、実験例１と同様に作製した。

【0046】

【表1】

【0047】

【表2】

【0048】

（接合部の遷移金属粉体の熱分析）
接合体の接合部の遷移金属粉体であるＦｅ粉末の熱分析を行った。なお、接合部として利用可能なＮｉ粉末についても熱分析を行った。測定は、８０ｍｇの試料を用い、ＴＧ−ＤＴＡ測定器（リガク製ＴｈｒｅｍｏＰｌｕｓＥＶＯ）を用いて室温から１０００℃まで行った。図５は、接合部の金属原料の熱分析測定結果である。Ｆｅは、２００℃から発熱し始め、４２０℃に発熱ピークを示した。Ｎｉは、２００℃から発熱し始め、５５０℃に発熱ピークを示した。これらの金属は、４００℃以上で加熱すると酸化物になりやすく、好ましいことがわかった。また、発熱による熱量が与えられるから、焼成温度により得られる熱量に比べ、より高い熱量で焼成処理を行うことができるものと推察された。

【0049】

（接合部の結晶相同定）
上記作製した接合体を用い、接合部の酸化物セラミックスの構成結晶相を同定した。測定は、回転対陰極型Ｘ線回折装置（理学電機製、ＲＩＮＴ）を用い、材料のＸ線回折パターンを得た。Ｘ線回折測定の条件は、ＣｕＫα線源、５０ｋＶ、３００ｍＡ、２θ＝２０〜６０°とした。また、得られたＸ線回折データを、ＭＤＩ社製「Ｘ線データ解析ソフトＪＡＤＥ７」を用いて解析した。

【0050】

（接合部の気孔率）
上記作製した接合体を樹脂で包含し、第１部材、第２部材及び接合部が同時に観察できる断面を鏡面研磨した。この研磨した面を電子顕微鏡（ＳＥＭ；フィリップス社製ＸＬ３０）により１５００倍の倍率で観察し、微構造写真を撮影した 上記撮影した微構造写真の画像を画像解析することにより、接合部の気孔率を測定した。図６は、実験例１の第１部材、第２部材及び接合部の断面のＳＥＭ写真である。画像解析ソフトにはＩｍａｇｅ−Ｐｒｏ０．５Ｊを使用した。微構造写真から、接合部の面積０．５×１０^-6ｍ²の領域を任意に選択し、二値化処理を行い、細孔と酸化物セラミックスの像を区別した。この区別した画像により、酸化物セラミックスとその細孔とを分離し、その面積比を算出することで接合部の気孔率とした。なお、この断面の面積比は、体積比にほぼ相当するものとして気孔率（体積％）とした。

【0051】

（界面の反応層厚さ）
上記作成した接合体を用い、接合界面について検討した。第１部材と接合部との界面、又は第２部材と接合部との界面に生成する反応層の厚さは、電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して得た画像を用いて測定した。具体的には、樹脂にて包含した接合体をダイヤモンドスラリーにて鏡面研磨したものを観察試料とし、この断面研磨面を３０００倍の倍率でＳＥＭ−ＥＤＸにて観察した。次に、図３で説明したように、この画像の界面を５等分する界面に垂直な垂線（測定線）を引き、界面に生成した反応層の下限と上限と、測定線の交点との間の長さを測定し、５カ所の平均を反応層厚さとした。ＳＥＭにより３０００倍の倍率で観察しても、界面に組成差によるコントラストが確認できない場合、反応層は「無し」とした。

【0052】

（接合部での複合粒子量の測定）
接合部に含まれる複合粒子の含有量を測定した。接合部内に含有される複合粒子は、上記のＳＥＭで得た微構造写真を用いた画像解析によって算出した。画像解析ソフトにはＩｍａｇｅ−Ｐｒｏ０．５Ｊを使用した。微構造写真から面積０．５×１０^-6ｍ²を任意に選択し、二値化処理を行い、複合粒子と酸化物セラミックスの像を区別した。これより酸化物セラミックスと複合粒子を分離し、その面積割合を算出することで複合粒子の含有量を求めた。なお、この断面の面積比は、体積比にほぼ相当するものとして複合粒子の含有量（体積％）とした。

【0053】

（接合性）
接合体の接合性は、接合体断面のＳＥＭ観察により評価した。本発明の接合体を樹脂で包含し、ダイヤモンドスラリー等で鏡面程度まで研磨し観察試料を作製した。次に、ＳＥＭを用いて１５００倍以上の倍率で観察して、第１部材又は第２部材と接合部との剥離や、第１部材、第２部材及び接合部におけるクラックの発生を確認した。その後、以下の基準で評価した。上記剥離及び上記クラックの発生が認められなかった場合を「Ａ」とした。小さな剥離又はクラックが認められた場合を「Ｂ」とした。

【0054】

（接合強度）
接合体の接合強度は、第１部材と第２部材との引張試験（ＪＩＳ−Ｒ１６０６に準拠）により評価した。接合体の第１部材と測定治具と、第２部材と測定治具とをそれぞれ接着し、強度試験機（インストロン社製万能試験機）により引張強度を測定した。その後、以下の基準で評価した。引張強度が５．５ＭＰａ以上の場合を「Ａ」、引張強度が５．０ＭＰａ以上５．５ＭＰａ未満の場合を「Ｂ」、引張強度が５．０ＭＰａ未満の場合を「Ｃ」とした。

【0055】

（電気伝導率）
接合体の電気伝導率は、図７に示す接合体５０を用いて行った。図７に示すように、２０ｍｍ×２０ｍｍの直方体状の第１部材５２と直方体状の第２部材５４とを接合部５１で接合した接合体に、１５ｍｍ×１５ｍｍのＡｇペーストを電極５５として焼き付けたものを測定試料とした。この接合体の電極に、ソースメーター（ケースレー製、２４５０型）を接続し、直流２端子法で接合体の電気伝導率を測定した。測定結果を以下の基準で評価した。得られた電気伝導率が１０^-2Ｓ／ｃｍ以上であるものを「Ａ」、１０^-3Ｓ／ｃｍ以上１０^-2Ｓ／ｃｍ未満であるものを「Ｂ」、１０^-6Ｓ／ｃｍ以上１０^-3Ｓ／ｃｍ未満であるものを「Ｃ」、１０^-6Ｓ／ｃｍ未満、または測定不能であるものを「Ｄ」とした。

【0056】

（総合評価）
上記測定結果に応じて、各サンプルを総合評価した。総合評価は、接合強度及び電気伝導率のいずれもが「Ａ」である場合を「Ａ（最良）」とした。また、接合強度及び電気伝導率の少なくとも１以上が「Ｂ」以上である場合、即ち２つの評価が「Ａ」「Ｂ」の場合、「Ｂ」「Ａ」の場合、及び「Ｂ」「Ｂ」の場合を「Ｂ（良）」とした。また、接合強度が「Ｂ」以上で電気伝導率が「Ｃ」である場合を「Ｃ（可）」とした。また、接合強度が「Ｃ」又は電気伝導率が「Ｄ」である場合を「Ｆ（不可）」とした。

【0057】

（結果と考察）
実験例１〜１０の測定結果をまとめて表３に示す。表３には、接合部の結晶相及び接合部の体積変化率、複合粒子の量（体積％）、基材中への接合部の侵入深さ（μｍ）、接合部の気孔率、部材と接合部との反応層厚さ、接合性、接合強度、電気伝導率及び総合評価をまとめて示した。表３に示すように、実験例１〜１０は、接合部の結晶相の主相は酸化物層であり、複合粒子も検出された。複合粒子の含有量は、総合評価との関係を考慮すると、５体積％以上６０体積％以下の範囲が好ましく、より好ましくは、１０体積％以上５０体積％以下であると思われた。複合粒子が接合部に含まれる実験例１〜９では、接合強度や総合評価がより高く、より好ましいことがわかった。多孔質セラミックスである第１部材中への接合部の侵入深さは、２０μｍ以上であり、多孔質セラミックスの細孔へ接合材が侵入することにより、これらが強固に接合しているものと認められた。接合部（酸化物セラミックス）のうち酸化物セラミックスが多孔質セラミックスの細孔内に侵入した侵入部以外の部分である非侵入部の気孔率は、３５体積％以下であることが好ましいことがわかった。また、基材の細孔に侵入した接合部の気孔率は、３０体積％以下であることが好ましく、１５体積％以下であることがより好ましく、５体積％以下であることが更に好ましいことがわかった。

【0058】

実験例１〜１０において、多孔質セラミックスの第１部材と接合部との間に、部材と接合部とが反応して生成する複合相などを含む反応層は認められなかった。なお、接合部と金属部材との間の界面は、金属部材を構成する成分の一部が酸化物セラミックス中へ拡散することで接合していると考えられる。例えば、界面の元素分析を行った結果、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金（ＳＵＳ３０４）とＦｅ₂Ｏ₃系接合部の界面では、ＳＵＳ中のＣｒと微量成分であるＭｎとが酸化物セラミックス層へ拡散して接合していることがわかった。また、Ｓｉ結合ＳｉＣ焼結体とＦｅ₂Ｏ₃系接合部との界面では、Ｓｉ成分が酸化物セラミックス層へ拡散することで接合していることがわかった。本実施例の接合体では、酸化物に比べ活性な金属を接合部の原料に用いることで、部材と反応しやすく、部材の成分を取り込みやすいと考えられた。また、大気中で焼成しているため、昇温と共に金属が酸化することで反応しにくくなり、取り込んだ部材の成分が接合部へ拡散しすぎるのを防いでいると考えられた。また、接合する部材が多孔質セラミックスである場合は、ＳＥＭ観察によって、比較的緻密である酸化物セラミックスが多孔質セラミックスの細孔内に侵入して接合部と多孔質セラミックスとを強固に結合することがわかった。また、実験例１〜９では、接合部に複合材の粒子が存在するため、接合部をより強固にすることができると推察された。このため、部材の接合をより好適に行うことができると推察された。

【0059】

また、実験例１〜７では、接合部に導電助材（ＴｉＯ₂）を含んでおり、電気伝導率が良好であった。即ち、酸化物セラミックスには導電助材（第２化合物）を含むことがより好ましいことがわかった。また、これらの導電助材を添加すると、接合部の抵抗をより低減することができることがわかった。このため、例えば通電部材として接合部を用いる場合、発熱が起きにくく、好ましいことがわかった。また、導電助材を添加すると、酸化物セラミックスに導電助材の元素が固溶することなどによって導電性が更に付与されると考えられ、加熱使用による導電性の低下をより抑制できると推察された。

【0060】

実験例１〜１０では、接合部が遷移金属の酸化物セラミックスであるため、好適な導電性を有することがわかった。例えば、酸化物セラミックスの主酸化物がＦｅ酸化物である場合、Ｆｅ₃Ｏ₄などの異相やＦｅ₂Ｏ₃中に導入された酸素欠陥によって導電性を有するものと考えられる。

【0061】

このように、２つの部材と、複合粒子を含みこれらを接合する遷移金属の酸化物セラミックスの接合部と、を備えた接合体は、より簡素により信頼性を高めて接合することができることがわかった。特に、本実施例では、接合時に真空や不活性ガス雰囲気などの雰囲気制御を要さず、大気中、低温で接合できる点が極めて優位であった。

【0062】

【表3】

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明は、多孔質セラミックスや金属部材などを接合する接合体の製造分野に利用可能である。

【符号の説明】

【0064】

２０，２０Ｂ 接合体、２２，２２Ｂ 第１部材、２３ 細孔、２４，２４Ｂ 第２部材、３０，３０Ｂ 接合部、３１ 複合粒子、４０ ハニカム構造体、４１ ハニカム基材、４２ 高導電性多孔質部、４３ 細孔、４４ 金属電極、４５ 電極端子、５０ 接合体、５１ 接合部、５２ 第１部材、５４ 第２部材、５５ 電極。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】