复合构造物及其制作方法和制作装置制造方法及图纸

将有预先内部应变的陶瓷或半金属等脆性材料的微粒向基材上变速喷射、碰撞，使脆性材料微粒变形或破碎。通过这种变形或破碎，新形成了极富活性的新生面，并经由这种新生面使结晶互相再结合，从而得到密、剥离强度优异的复合构造物。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在基材表面上形成了包含陶瓷或半金属等脆性材料的构造物的复合构造物和该复合构造物的制作方法以及该复合构造物的制作装置。
技术介绍
一般在形成陶瓷烧结体的情况下，要添加烧结助剂以使陶瓷微粒相互粘合变得容易，从而进行在微粒间的界面附近形成液相的液相烧结。作为不用烧结助剂的高密度烧结体形成方法，已经有热压法，而作为在基材表面上形成金属或陶瓷等被膜的方法，已知有PVD和CVD等蒸气沉积法或热喷镀法。另一方面，最近，作为新的被膜形成方法，已知有气体沉积法(加集诚一郎金属，1989年1月号)或静电微粒涂布法(井川等昭和52年度精密机械学会秋季大会学术讲演会文稿)。前者是以使金属或陶瓷等超微粒用气体搅拌而气溶胶化，并通过微小喷嘴加速、在碰撞到基材上时一部分动能转化成热能，从而在微粒之间或微粒与基材之间烧结为基本原理的，后者是以使微粒带电以利用电场加速、然后与气体沉积法一样利用碰撞时产生的热量烧结为基本原理的。此外，还已知，作为改进了上述气体沉积法或静电微粒涂布法的先有技术，公开于特开平8-81774号公报、特开平10-202171号公报、特开平11-21677号公报或特开2000-212766号公报中的方法。特开平8-81774号公报中公开的技术，是将熔点不同的2种金属或有机物用电阻丝加热、电子束加热、高频电感加热、溅射、电弧等离子体等加热蒸发，通过这种加热蒸发而成为粒径在0.1μm以下的表面非常活泼的超微粒，这些超微粒中熔点不同的每一种金属都用喷嘴按照三维立体形状的断面CAD数据喷雾到基板上，重复这一操作，便形成了由熔点不同的2种金属组成的三维立体形状物，然后在2种金属的熔点之间的温度加热该立体形状物以使低熔点金属部分熔融除去，只剩下高熔点金属部分。特开平10-202171号公报中公开的技术，是将上述用电阻丝加热、电子束加热、高频电感加热、溅射、电弧等离子体等加热蒸发而得到的超微粒向基板上喷射时经由掩膜开口进行，从而得到无塌肩的三维立体形状物。特开平11-21677号公报中公开的技术，是上述含超微粒的气溶胶输送时或者金属或陶瓷加热蒸发时为了防止超微粒彼此凝聚成为大粒子而在经由的途径中配置分级装置。特开2000-212766号公报中公开的技术，是通过对粒径10nm～5μm的超微粒(与上述先有技术不同，不是用加热蒸发得到的)照射离子束、原子束、分子束或低温等离子体等，使超微粒不熔融地活化，并在这样的状态下以3m/秒～300m/秒的速度喷雾到基板上，促进超微粒相互结合而形成构造物。使用一般烧结助剂的液体烧结时，在微粒边界(粒界)附近形成了含烧结助剂的玻璃相，所得到的陶瓷的纯度不能提高，而且难以形成密体。另一方面，由于陶瓷粒子的微粒化、烧结温度的高温化、像热压法等这样在加压环境下的焙烧、烧结助剂的排除等的努力，使高纯度且密质的陶瓷的形成成为可能。然而，包括这些在内，所谓焙烧就是通过原子的扩散进行微粒之间的粘合这样的过程，即使原料粉是微粒，在加热中也会引起晶粒生长，要使形成物终止于微细结晶状态是不可能的。即焙烧时，要形成由纳米级晶粒组成的多结晶体是困难的。此外，在用烧结助剂焙烧的情况下，在粒子之间的界面上会引起特定元素偏析，这也会成为妨碍得到所希望特性的原因。另一方面，在PVD或CVD等中，由于有通过原子堆积形成构造物这样的技术特征，因而具有从晶体生长能低的晶面优先生长的取向性，或者具有从基板形成柱状结晶等的特征结构，要形成无序结晶取向的粒状多结晶体是困难的。热喷镀时，由于原料粉末的微粒化、工艺过程的高温化、减压环境等的努力，可以达到形成物的密化等，但有使原料粉末的表面层熔融以便碰撞基板并使粉末微粒彼此粘合在一起这样的特征，因而形成物的结晶的形状是扁平微粒的层状堆积，或者有在形成物中混杂未熔融微粒这样的问题。此外，由纳米级晶粒组成的多结晶体的形成是困难的。从工艺这样的观点来看，上述任何一种技术都需要数百至一万℃的高温环境，也有能源投入量大这样的问题。此外，在用溶胶-凝胶法进行陶瓷膜制作方面，已经开发了可以在低温制作结晶比较小的膜的技术。然而，一般来说，一次制膜过程可以达到的膜厚是数nm～数百nm水平，在要形成厚膜的情况下，必须重复这一过程。此时，为了实质性地使底膜变得牢固，有必要实施加热处理，从而引起底层晶粒生长。在不引起晶粒生长的低温下制膜有密度不增大的问题。而且，若经由多次制膜过程，则无法解决发生膜龟裂这样的问题。此外，这种溶胶-凝胶法或溶液中析出法等的微细组织陶瓷膜制作方法以湿式居多，溶液中的其它溶质或溶剂会混入膜中，有时会发生膜特性恶化或组成偏移。此外，在特开平8-81774号公报、特开平10-202171号公报和特开平11-21677号公报中公开的方法中，必须有用来得到超微粒的加热手段(电阻丝加热、电子束加热、高频电感加热、溅射、电弧等离子体等)。而且，基本原理是碰撞时使动能转变成热能进行烧结这样的过程，因而，在基板上形成的构造物的粒径会通过晶粒生长而变得比原料超微粒还大。另一方面，本专利技术者等对特开2000-212766号公报中公开的技术进行了后续追试。其结果表明，金属(延展性材料)与陶瓷或半金属等脆性材料显示出不同的举动。即，在脆性材料中，不照射离子束、原子束、分子束或低温等离子体等，也就是说不用特别的活化手段，就能形成构造物。然而，在该专利公报中记载的条件下，在微粒粒径为10nm～5μm、碰撞速度为3m/秒～300m/秒时，出现了构造物的剥离强度不足、或者容易部分地剥离、密度也变得不均匀等新问题。
技术实现思路
本专利技术是基于以下知识完成的。陶瓷处于一种几乎不具有自由电子的共价键性或离子键性强的原子结合状态。因此，是硬度高但耐冲击性弱的。硅或锗这样的半金属也是不具有延展性的脆性材料。因此，在对这些脆性材料施加机械冲击力的情况下，会发生诸如沿晶粒之间的界面等壁开面的晶格偏移，或者破碎等。如果引起这些现象，在偏移面或破碎面上原来存在于内部，与别的原子结合的原子就成为剥离状态，即形成了新生面。这种新生面的一个原子层部分由于外力而从原来稳定的原子结合状态强制地暴露于不稳定的表面状态。即，成为表面能高的状态。这种活性面与邻接的脆性材料表面或同样邻接的脆性材料新生面或基板表面结合并变成稳定状态。来自外部的连续机械冲击力的施加，就会使这种现象不断发生，通过微粒变形、破碎等的重复使粘合取得进展，并使由此形成的构造物密化。基于以上知识制作的、本专利技术所涉及的脆性材料构造物的微观构造显然不同于用先有技术制法所得到的构造物。即，本专利技术所涉及的复合构造物是在基材表面上形成由陶瓷或半金属等脆性材料组成的构造物的材料，所述构造物是多结晶，构成所述构造物的结晶是实质上无结晶取向性的，而且在所述结晶彼此之间的界面上实质上不存在由玻璃质组成的粒界层，进而所述构造物的一部分成为嵌入基材表面的锚固体。现在，对于理解本专利技术时重要的语句的解释进行如下。(多结晶)本文中，系指晶粒粘合、聚集而成的构造体。晶粒实质上本身构成了结晶，其粒径通常在5nm以上。但是，微粒无破碎就进入构造物中等的情况极少发生，但实质上是多晶的。(结晶取向性)本文中，系指多结晶构造物中结晶轴的取向状态，是否有取向性，一般是以认为实质上无取向性的粉末X射线衍射等用来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在基材表面上形成构造物的脆性材料微粒，其特征在于这种微粒被赋予必要的内部应变，能在与基材碰撞或给予机械冲击时变形或破碎而生成活性新生面。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：明渡纯，伊藤朋和，横山达郎，森胜彦，鸠野广典，清原正胜，麻生雄二，
申请(专利权)人：TOTO株式会社，独立行政法人产业技术综合研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]