セラミックス接合界面での非平衡な気液固反応ダイナミクスの解明と高耐熱接合への応用

陶瓷键合界面非平衡气-液-固反应动力学的阐明及其在高耐热键合中的应用

基本信息

批准号：
21K04683
负责人：
小濱和之
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Kyoto Municipal Institute of Industrial Technology and Culture
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04683/
关键词：
低温接合高温強度接合機構物質移動相変態

项目摘要

セラミックスの低温接合と接合体の高温使用を両立するため、接合時には低い温度で融け、接合後には高い温度でも融けなくなるという、新機能を有したフィラー（接合時に間に挟み込む材料）の開発研究を行っている。その機能の根源は、フィラーに含まれる添加元素の蒸発や化学反応を利用して、フィラーの融点を制御する点にある。一方で、このような添加元素の特殊な振る舞いが十分に理解されていないため、接合界面に出現する気体・液体・固体が関与する複雑な接合機構（ダイナミクス）が明らかになっていない。本研究では、そのダイナミクスに関する知見を体系化することで、プロセス設計の指導原理の確立をめざしている。これまでに、SiとMgを組み合わせた複合フィラーを用い、各種セラミックスの接合を実施した。この系では約950℃以上でSi-Mg共融液相が生成するため、液相を介した接合に供することができる。一方、Mgは蒸気圧が非常に高いため、接合温度での保持中にMgが液相中から蒸発し、残ったSiがその温度で等温凝固することで、固相Si主体の接合層が形成される。令和4年度は、上記のSi-Mg複合フィラーを用い、特に炭化ケイ素（SiC）の接合に取り組んだ。この組み合わせでは、Mgの蒸発が十分に進まず、接合部にMgが多量に残留することがわかっている。残留Mgの形態によっては非常に脆い接合層が形成されるため、接合強度が低くなる。この課題に対し、前年度の研究で見出したMg蒸発促進および接合強度向上のためのフィラー設計指針に基づき、第三元素としてAlを添加したSi-Mg-Al複合フィラーを用い、比較的接合強度の高いSiC接合体を作製することができるようになった。このようなAl添加の効果が発現する機構について、熱力学と物質移動の観点から定性的に考察した。その考察をもとに、学会発表の申込につなげ、論文投稿の準備を進めた。

为了同时实现陶瓷的低温粘合和粘合物体的高温使用，我们正在研究和开发具有新功能的填料（夹在粘合材料之间的材料）：它们在粘合过程中在低温下熔化，但粘合后即使在高温下也不会熔化。该功能的根源在于利用填料中所含添加元素的蒸发和化学反应来控制填料的熔点。另一方面，由于这些添加元素的特殊行为尚未完全了解，因此在键合界面出现的涉及气体、液体和固体的复杂键合机制（动力学）仍不清楚。本研究旨在通过系统化有关这些动态的知识来建立流程设计的指导原则。到目前为止，我们已经使用硅和镁结合的复合填料粘合了各种陶瓷。在该体系中，在约950℃以上的温度下会产生Si-Mg共晶液相，因此可用于通过液相进行键合。另一方面，由于Mg的蒸气压非常高，因此在保持接合温度的过程中，Mg从液相中蒸发，而剩余的Si在该温度下等温凝固，形成以固相Si为主成分的接合层。完毕。 2020财年，我们使用上述硅镁复合填料，特别致力于碳化硅（SiC）的接合。已知在这种组合中，Mg没有充分蒸发，并且大量的Mg残留在接头中。根据残余Mg的形式，形成非常脆的结合层，导致结合强度低。为了解决这个问题，基于前一年研究中发现的加速Mg蒸发和提高结合强度的填料设计指南，我们使用了添加Al作为第三元素的Si-Mg-Al复合填料，以实现相对较高的结合强度。现在可以制造具有高强度的SiC接合体从热力学和传质的角度对Al添加效应发生的机理进行了定性讨论。基于这样的考虑，我申请参加一个学术会议，并着手准备提交论文。