氧化釔皮膜的製作方法
2023-05-26 23:44:51
氧化釔皮膜的製作方法
【專利摘要】氧化釔皮膜的孔隙率為1.5％以下，皮膜中的單斜晶氧化釔與立方晶氧化釔的總和中所佔的單斜晶氧化釔的比率為1％以上且30％以下。該皮膜例如將含有氧化釔顆粒和分散介質的噴鍍材料進行噴鍍而形成。
【專利說明】氧化釔皮膜
【技術領域】
[0001] 本發明涉及氧化釔皮膜。
【背景技術】
[0002] 氧化釔（Y203)皮膜在具有高介質擊穿電壓（單位：kV)的方面具有較高的技術上 的價值，例如已經在需要電絕緣的用途中被利用（例如參照專利文獻1和專利文獻2)。
[0003] 作為提高氧化釔皮膜的介質擊穿電壓的手段之一，增大皮膜的厚度是有效的。在 該方面，與化學氣相沉積法、電子束蒸鍍法相比，噴鍍由於容易形成厚度大的皮膜，因而作 為介質擊穿電壓優異的氧化釔皮膜的形成方法是有利的。但是，噴鍍皮膜的孔隙率較高。因 此，氧化釔的噴鍍皮膜的介質擊穿強度（單位：kv/mm)比氧化釔的化學氣相沉積膜的介質 擊穿強度即45kV/mm(例如參照非專利文獻1)、氧化釔的電子束蒸鍍膜的介質擊穿強度即 280kV/mm(例如參照非專利文獻2)差。在需要電絕緣的用途中使用氧化釔皮膜時，為了更 可靠地防止皮膜的介質擊穿，要求皮膜不僅介質擊穿電壓高而且介質擊穿強度也要高。
[0004] 需要說明的是，皮膜的介質擊穿電壓是指能夠施加於皮膜而不發生介質擊穿的最 高的電壓，皮膜的介質擊穿強度是指將皮膜的介質擊穿電壓除以皮膜的厚度而求出的值。
[0005] 現有技術文獻
[0006] 專利文獻
[0007] 專利文獻1 :日本特開2004-211122號公報
[0008] 專利文獻2 :日本特開2007-291528號公報
[0009] 非專利文獻
[0010] 非專利文獻1 :"適於真空工藝的耐蝕膜'氧化釔'塗層技術的開發（真空7 口 ★ ス向?ナ耐食膜「酸化4ッ卜リクΛ」；I一卜技術c^開発），，，[online]，2009 年ll月，[2011 年 12 月 28 日檢索]，網址
[0011] 非專利文獻2 :C. K. Campbell, "電子束蒸鍍氧化紀薄膜的各種介電性能（Some dielectric properties of electron-beam evaporated yttrium oxide thin films)，'，固 體薄膜（Thin Solid Films)，第 6 卷，第 3 版，1970 年 9 月，p. 197-202
【發明內容】
[0012] 發明要解決的問是頁
[0013] 因此，本發明的目的在於提供具有更高的介質擊穿強度的氧化釔皮膜、以及提供 對於形成這種氧化釔皮膜有用的噴鍍材料。
[0014] 用於解決問題的方案
[0015] 為了達成上述目的，本發明的一個方案提供氧化釔皮膜，皮膜的孔隙率為1.5%以 下，皮膜中的單斜晶氧化釔與立方晶氧化釔的總和中所佔的單斜晶氧化釔的比率為1%以 上且30%以下。
[0016] 在2. 94N(300gf)的載荷下測定的皮膜的維氏硬度優選為450以上。
[0017] 皮膜的平均表面粗糙度Ra優選為2. 5 μ m以下。
[0018] 皮膜的平均厚度優選為20 μ m以上。
[0019] 本發明的另一個方案提供用於形成上述方案的氧化釔皮膜的噴鍍材料。噴鍍材料 含有氧化釔顆粒和分散介質，前述氧化釔顆粒的體積平均直徑為6 μ m以下。
[0020] 本發明的另一個方案提供含有氧化釔顆粒和分散介質的噴鍍材料。通過將前述噴 鍍材料向基材進行高速氧燃料噴鍍而設置在基材上的皮膜的孔隙率為1.5以下，所述基材 由使用棕色氧化鋁磨料（A#40)進行了噴砂處理的鋁合金板形成，前述皮膜中的單斜晶氧 化釔與立方晶氧化釔的總和中所佔的單斜晶釔的比率為1%以上且30%以下。
[0021] 發明的效果
[0022] 根據本發明，能夠提供與現有的噴鍍皮膜相比介質擊穿強度高、同時低孔隙率且 具有高機械強度的氧化釔皮膜。另外，能夠提供對於形成這種氧化釔皮膜有用的噴鍍材料。
【具體實施方式】
[0023] 以下，說明本發明的一個實施方式。
[0024] 本實施方式的氧化釔（Y203)皮膜是將噴鍍材料進行噴鍍而得到的。噴鍍向基材進 行，因此皮膜設置在基材上。基材可以由鋁、鈦、鐵、它們的合金等金屬制，或者也可以由氧 化鋁、氧化釔等陶瓷製。噴鍍材料可以為粉末的形態，或者也可以為漿料（即懸浮液）的形 態。
[0025] 形成皮膜的粉末狀的噴鍍材料包含適於處理的尺寸的氧化釔顆粒。優選的是，粉 末狀的噴鍍材料的100%由氧化釔顆粒構成。
[0026] 漿料狀的噴鍍材料是將適當尺寸的氧化釔顆粒與水或以乙醇為代表的醇等分散 介質、優選為水進行混合而製備的。漿料狀的噴鍍材料也可以含有聚乙烯醇等少量的有機 分散劑。氧化釔顆粒並不必須為漿料狀的噴鍍材料的主要成分。分散介質和有機分散劑在 噴鍍工藝的過程中揮發或氧化，從而在皮膜中完全或幾乎不含有。
[0027] 漿料狀的噴鍍材料的漿料濃度、即固體成分含量優選為10質量％以上、更優選為 15質量％以上、進一步優選為20質量％以上、特別優選為30質量％以上。隨著漿料濃度變 高，能夠更高效地由漿料狀的噴鍍材料形成皮膜。
[0028] 另外，漿料狀的噴鍍材料的漿料濃度優選為70質量％以下、更優選為60質量％以 下、進一步優選為50質量％以下。隨著漿料狀的噴鍍材料的漿料濃度降低，向噴鍍機中的 供給更穩定。
[0029] 皮膜的形成中使用的氧化釔顆粒也可以包含鐵、鈷、鎳、鉻、鈉、鉀、鈣、鎂等不可避 免的雜質。但是，為了得到具有更高的介質擊穿強度的皮膜，優選氧化釔顆粒儘可能為高純 度。具體而言，氧化釔顆粒中的氧化釔含量、即氧化釔顆粒的純度優選為98質量％以上、更 優選為99質量％以上、進一步優選為99. 9質量％以上。由於會導致皮膜的介質擊穿強度 降低，因此優選氧化釔顆粒中所含的鐵、鈷、鎳和鉻等金屬雜質的量儘可能地少。作為金屬 雜質的鐵、鈷、鎳和鉻的含量的總計優選為200ppm以下、更優選為lOOppm以下、進一步優選 為50ppm以下。另外，出於同樣的理由，優選鈉、鉀、鈣、鎂的含量也儘可能地少。鈉和鉀的 含量的總計優選為200ppm以下、更優選為lOOppm以下、進一步優選為50ppm以下。|丐和鎂 的含量的總計優選為200ppm以下、更優選為lOOppm以下、進一步優選為50ppm以下。氧化 釔顆粒中所含的雜質的含量例如可以利用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS)、原子吸光光 度法來測定。
[0030] 由漿料狀的噴鍍材料形成皮膜時所使用的氧化釔顆粒的平均粒徑（體積平均直 徑）優選為6 μ m以下、更優選為4 μ m以下、進一步優選為2 μ m以下、最優選為1. 5 μ m以 下。隨著氧化釔顆粒的平均粒徑變小，能夠由噴鍍材料獲得更緻密的皮膜。氧化釔顆粒的 平均粒徑的測定例如可以利用雷射衍射散射法、BET法、光散射法來進行。利用雷射衍射散 射法的氧化釔顆粒的平均粒徑的測定例如可以使用株式會社堀場製作所製造的雷射衍射/ 散射式粒度測定儀" LA-300 "來進行。
[0031] 將噴鍍材料進行噴鍍的方法可以為高速氧燃料噴鍍（HV0F)、高速空氣燃料噴鍍 (HVAF)那樣的高速火焰噴鍍，或者也可以為常壓等離子體噴鍍（APS)。為了獲得更緻密的 皮膜，優選使用高速火焰噴鍍。高速火焰噴鍍中使用的燃料可以為乙炔、乙烯、丙烷、丙烯等 烴的氣體燃料，或者也可以為煤油、乙醇等液體燃料。但是，從獲得更高的火焰溫度的觀點 出發，優選烴氣體燃料。
[0032] 氧化釔皮膜中的氧化釔的含量優選為98質量％以上、更優選為99質量％以上、進 一步優選為99. 9質量％以上。隨著皮膜中的氧化釔的含量變高，皮膜的介質擊穿強度提 商。
[0033] 皮膜的孔隙率需要為1.5%以下、優選為1.2%以下、更優選為1%以下、進一步優 選為0.8%以下、特別優選為0.6%以下。隨著孔隙率變低，皮膜的介質擊穿強度提高。另 夕卜，還具有貫通氣孔在皮膜中形成的可能性小的優點。在皮膜中存在貫通氣孔時，由於氣孔 而局部發生微小的加熱區域的形成，較高的電場強度集中於此而產生嚴重的缺陷通路，其 結果在皮膜發生介質擊穿的方面存在不利。
[0034] 將平均粒徑為6 μ m以下的氧化釔顆粒向基材進行噴鍍時，氧化釔顆粒在基材上 驟冷凝固，從而在各氧化釔顆粒的表層部形成單斜晶氧化釔，在各氧化釔顆粒的中心部形 成立方晶氧化釔。因此，得到的皮膜中的氧化釔包含單斜晶和立方晶這至少2個相。形成於 各氧化釔顆粒的表層部的單斜晶氧化釔起到提高氧化釔顆粒彼此之前的接合強度的作用。
[0035] 為了利用單斜晶氧化釔的作用來提高氧化釔顆粒彼此之間的接合強度，皮膜中的 單斜晶氧化釔與立方晶氧化釔的總和中所佔的單斜晶氧化釔的比率需要為1 %以上、優選 為5%以上、更優選為8%以上、進一步優選為10%以上。另一方面，為了充分地確保具有高 於單斜晶氧化釔的介質擊穿電壓和機械強度的立方晶氧化釔的量，皮膜中的單斜晶氧化釔 與立方晶氧化釔的總和中所佔的單斜晶氧化釔的比率還需要為30%以下、優選為25%以 下、更優選為20%以下。因此，通過該比率處於上述範圍內，會使皮膜具有良好的介質擊穿 強度和機械強度。
[0036] 皮膜中的單斜晶氧化釔與立方晶氧化釔的總和中所佔的單斜晶氧化釔的比率利 用算式：Pm(%) = [Im/(Im+Ic)]X100求出。上式中,Pm表示皮膜中的單斜晶氧化紀與立 方晶氧化釔的總和中所佔的單斜晶氧化釔的比率，Im表示皮膜的X射線衍射圖案中的單斜 晶氧化釔（40幻的峰強度，Ic表示皮膜的X射線衍射圖案中的立方晶氧化釔（222)的峰強 度。
[0037] 皮膜中的立方晶氧化釔的微晶尺寸優選為80nm以下、更優選為60nm以下。隨著 立方晶氧化釔的微晶尺寸變小，皮膜中的晶界密度變高，其結果，皮膜的機械特性例如硬度 提高。皮膜中的立方晶氧化釔的微晶尺寸由X射線衍射圖案中的立方晶氧化釔（222)的半 峰寬使用Scherrer公式求出。
[0038] 皮膜中的單斜晶氧化釔的微晶尺寸優選為60nm以下、更優選為50nm以下。隨著 單斜晶氧化釔的微晶尺寸變小，皮膜中的晶界密度變高，其結果，皮膜的機械特性例如硬度 提高。皮膜中的單斜晶氧化釔的微晶尺寸由X射線衍射圖案中的單斜晶氧化釔（40幻的半 峰寬使用Scherrer公式求出。
[0039] 皮膜的電阻率優選為1 X 1011 Ω cm以上、更優選為5 X 1011 Ω cm以上、進一步優選為 1 X ΙΟ12 Ω cm以上。隨著皮膜的電阻率變高，電壓施加時的漏電流值變低。
[0040] 在2. 94N(300gf)的載荷下測定的皮膜的維氏硬度優選為450以上、更優選為500 以上、進一步優選為530以上。隨著維氏硬度變大，皮膜的介質擊穿強度提高。
[0041] 皮膜的平均表面粗糙度Ra優選為2. 5 μ m以下、更優選為2 μ m以下。隨著皮膜的 平均表面粗糙度Ra變小，具有在介電常數的測定時電極與皮膜之間的電接觸變得良好的 優點。孔隙率低的緻密的皮膜存在平均表面粗糙度Ra小的傾向。
[0042] 皮膜的表面粗糙度的標準偏差〇優選為0. 5 μ m以下、更優選為0. 4 μ m以下。隨 著表面粗糙度的標準偏差變小，皮膜整體的介質擊穿強度均一化。
[0043] 皮膜的平均厚度優選為20 μ m以上、更優選為50 μ m以上、進一步優選為100 μ m 以上。隨著皮膜的平均厚度變大，皮膜的介質擊穿電壓提高。
[0044] 皮膜的厚度的偏差優選為± 10%以內。
[0045] 皮膜的介質擊穿電壓優選為2. 5kV以上、更優選為3. 5kV以上、進一步優選為4kV 以上。
[0046] 根據本實施方式，可獲得以下的效果。
[0047] 根據本實施方式的氧化釔皮膜，通過將皮膜中的單斜晶氧化釔與立方晶氧化釔的 總和中所佔的單斜晶氧化釔的比率設為1%以上且30%以下，能確保作為皮膜的孔隙率低 至1. 5%以下效果的較高的介質擊穿強度。因此，能夠提供具有較高的介質擊穿強度的皮 膜。
[0048] 前述實施方式也可如下變更。
[0049] ?氧化釔皮膜不限定於將包含氧化釔顆粒的噴鍍材料進行噴鍍而形成，例如也可 以利用化學氣相沉積法（CVD)、物理氣相沉積法（PVD)、氣溶膠沉積那樣的噴鍍以外的方法 形成。
[0050] 接著，列舉實施例和比較例進一步具體說明本發明。
[0051] 實施例1?5和比較例1中，通過將焙燒而得到的氧化釔顆粒與水混合,從而準 備漿料狀的噴鍍材料，將其以表1中示出的條件噴鍍到基材上，由此在基材上形成厚度 150 μ m的皮膜。
[0052] 比較例2?4中，通過聚集和燒結準備由氧化釔顆粒或氧化鋁顆粒形成的粉末狀 的噴鍍材料，將其以表2或表3中示出的條件噴鍍到基材上，從而在基材上形成厚度150 μ m 的皮膜。其結果，雖然在比較例3、4的情況下能夠形成皮膜，但比較例2中未能形成皮膜。
[0053] 這些實施例和比較例中使用的基材均為由鋁合金（A6061)形成的尺寸 50mmX75mmX5mm的板，在預先用棕色氧化錯磨料（A#40)進行噴砂處理之後再使用。
[0054] [表 1]
[0055]
【權利要求】
1. 一種皮膜，其為氧化釔皮膜， 皮膜的孔隙率為1.5%以下， 皮膜中的單斜晶氧化釔與立方晶氧化釔的總和中所佔的單斜晶氧化釔的比率為1%以 上且30%以下。
2. 根據權利要求1所述的皮膜，其中，在2. 94N的載荷下測定的皮膜的維氏硬度為450 以上。
3. 根據權利要求1或2所述的皮膜，其中，皮膜的平均表面粗糙度Ra為2. 5 μ m以下。
4. 根據權利要求1?3中任一項所述的皮膜，其中，皮膜的平均厚度為20 μ m以上。
5. -種噴鍍材料，其為用於形成權利要求1?4中任一項所述的皮膜的噴鍍材料， 所述噴鍍材料含有氧化釔顆粒和分散介質，所述氧化釔顆粒的體積平均直徑為6 μ m 以下。
6. -種噴鍍材料，其為含有氧化釔顆粒和分散介質的噴鍍材料， 通過將所述噴鍍材料向基材進行高速氧燃料噴鍍而設置在基材上的皮膜的孔隙率為 1.5以下，所述基材由使用棕色氧化鋁磨料（A#40)進行了噴砂處理的鋁合金板形成， 所述皮膜中的單斜晶氧化釔與立方晶氧化釔的總和中所佔的單斜晶釔的比率為1%以 上且30%以下。
【文檔編號】C23C4/12GK104093874SQ201280064537
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2012年12月26日 優先權日:2011年12月28日
【發明者】北村順也, 水野宏昭, 菲洛夫泰亞-蘿拉·託馬, 史蒂芬·蘭納, 盧茲-麥可·伯傑, 安內格特·波特霍夫 申請人:福吉米株式會社