結構體的製作方法

2023-10-31 03:44:42

專利名稱：結構體的製作方法
技術領域：
本發明涉及結構體。
背景技術：
在用於晶體生長等的高溫下使用的加熱爐中，為了縮短處理時間，優選升溫到預 定處理溫度的時間較短，但另一方面，為了使熱處理溫度穩定，優選升溫到預定的處理溫度 之後，爐內不過度升溫而超過處理溫度。例如，在使hfeiSb晶體生長時，在加熱爐中放置塊狀feiSb原料，在feiSb原料之上 放置hfeSb原料，然後對加熱爐進行感應加熱，以加熱爐的溫度處於feiSb的熔點(712°C ) 和hfeiSb的熔點(525°C 712°C)之間的方式進行加熱。若以這種方式進行加熱，則 僅^ifeiSb原料熔融並形成InfeiSb晶體溶液，由於該溶液存留在feiSb塊之上，所以，在使 GaSb晶種與該溶液接觸並保持^feSb溶液溫度恆定的基礎上，邊旋轉邊拉晶，從而能夠使 InGaSb單晶生長。在上述工序中，優選加熱爐升溫至525°C以上的時間較短，並且，加熱爐的溫度不 得超過712°C。在這種情況下，為了縮短升溫時間，有效的是提高低溫區域的爐內絕熱性，因此考 慮優選使用絕熱性高的材料、即熱導率低的材料製作爐體(爐內壁)。並且，為了爐內不過度升溫而超過處理溫度，有效的是提高高溫區域的散熱性以 使爐體難以在高溫區域升溫，因此考慮優選使用散熱性高的材料、即發射率高的材料製作 爐體。作為滿足這種特性的材料，可以舉出堇青石、氧化鋁、氧化鋯等氧化物類陶瓷。但 是，這些材料與金屬材料等相比，耐熱衝擊性差且價格高，所以，用這些材料製造整個爐體 是不現實的。因此，優選具有低溫絕熱特性以及高溫散熱特性的材料。此處，在專利文獻1中，公開了一種遠紅外線輻射體作為高散熱性材料，該輻射體 是通過在金屬基材的表面上形成有由氧化物類陶瓷和低熔點高膨脹玻璃構成的無機化合 物覆膜而形成。而且，在專利文獻2中，公開了一種紅外線輻射體作為散熱性同樣高的材料，該輻 射體是通過在金屬基材的表面上形成有由金屬氧化物和低熔點高膨脹玻璃構成的紅外線 黑體塗料覆膜而形成。但是，這些遠紅外線輻射體和紅外線輻射體存在高溫時的散熱性不足的問題，因 此，需求一種在該溫度區域具有更加良好的散熱特性的材料。並且，不能保證這些遠紅外線輻射體和紅外線輻射體在低溫下的絕熱特性。專利文獻1 特公平2-47555號公報
專利文獻2 特公平3-62798號公報

發明內容
本發明是為了解決這類問題而完成的，其目的在於，提供一種在低溫區域絕熱性 高、在高溫區域散熱性高的結構體。本發明的結構體由基材和無機材料表面層構成，所述基材由金屬形成，所述無機 材料表面層由結晶性無機材料和無定形無機材料形成，所述結構體的特徵在於，上述無機 材料表面層的熱導率低於上述基材的熱導率，上述無機材料表面層的紅外線發射率高於上 述基材的紅外線發射率，並且，上述基材為環狀體。並且，在本發明的結構體中，優選上述無機材料表面層在室溫下的熱導率為0. Iff/ mK 2ff/mK。而且，在本發明的結構體中，優選上述無機材料表面層在室溫下、在波長為 1 μ m 15 μ m的發射率是0. 7 0. 98。此外，在本發明的結構體中，優選上述基材表面的凹凸量為上述無機材料 表面層的厚度的1/60以上。由於本發明的結構體是由金屬材料形成的基材包圍熱源(加熱器、爐體或流體 等)的環狀體，所以能夠防止氣體或液體洩漏到外部空間，從而確保結構體內部的絕熱性， 而且，在基材的表面(內表面或外表面)形成有無機材料表面層，所述無機材料表面層的熱 導率低於所述基材的熱導率，所述無機材料表面層的紅外線發射率高於所述基材的紅外線 發射率，所以，在散熱性取決於熱傳導的低溫區域，能夠阻礙來自結構體內部的散熱，從而 能夠使結構體內部的絕熱性得到進一步改善，而在散熱性取決於輻射的高溫區域，能夠促 進來自結構體內部的散熱，從而能夠使結構體內部溫度得到降低。另外，上述結構體中的基材為環狀體，所以結構體本身為環狀體。儘管對於通過將結構體製成環狀體可使高溫區域的散熱性得到改善的機理不明 確，但是，本發明人推測如下如圖1所示，若來自熱源1的輻射熱2入射到結構體的內壁， 則從結構體的表面輻射出輻射熱3，同時被反射的輻射熱4再次入射到結構體的內壁。這 樣，再次從結構體的表面輻射出輻射熱5，被反射的輻射熱6再次入射到結構體的內壁。以 這種方式，推測當結構體為環狀體時，通過輻射熱不斷地被反射使散熱得到進行，因而能夠 改善散熱性。採用這種方式，本發明具有如下的顯著效果能夠使結構體內部快速升溫和防止 結構體內部過熱這一原本矛盾的效果同時實現。這樣的效果沒有記載於上述舉出的現有技術中。現有技術僅限於公開板狀體，最初沒有記載可以使結構體內部絕熱的效果和可以 反射輻射熱這樣的環狀結構。


圖1是示意性地表示在本發明的結構體的內部發生輻射和反射的情況的俯視圖。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)是分別示意性地表示本發明的結構體的一例的 立體圖。
圖3是示意性地表示用於評價本發明的結構體的性能的評價裝置的局部缺口立 體圖。符號說明10、20、30、40、100 結構體；11、21、31、41、101 金屬基材；12、22、32、42、102 無機材
料表面層。
具體實施例方式
首先，使用附圖對本發明的結構體進行說明。本發明的結構體由基材和無機材料表面層構成，所述基材由金屬形成(下面也稱 為金屬基材)，所述無機材料表面層由結晶性無機材料和無定形無機材料形成，所述結構體 的特徵在於，上述無機材料表面層的熱導率低於上述基材的熱導率，上述無機材料表面層 的紅外線發射率高於上述基材的紅外線發射率，而且，上述基材為環狀體。圖2是示意性地表示本發明的結構體的一例的立體圖，圖2(a)和圖2(b)是圓筒 形的結構體，圖2(c)和圖2(d)是橢圓筒形的結構體，在各基材的外表面或內表面形成有無 機材料表面層。這些結構體均具有同樣的性能，所以，此處以圖2(a)所示的圓筒形的結構體為例 說明本發明的結構體。圖2(a)所示的結構體10的結構如下在由金屬形成的圓筒形金屬基材11的外側 表面，覆蓋有由結晶性無機材料和無定形無機材料形成的無機材料表面層12，從而形成半 徑不同的2種材料密合的雙層結構。並且，無機材料表面層12以如下方式構成該無機材料表面層12在室溫下的熱導 率低於金屬基材11的熱導率，在室溫下的紅外線發射率高於金屬基材11的紅外線發射率。另外，在本說明書中，室溫是指25°C。另外，本說明書中，無機材料表面層的熱導率是指結晶性無機材料和無定形無機 材料的混合物在室溫下的熱導率，所述熱導率由構成無機材料表面層的各結晶性無機材料 和無定形無機材料的熱導率及其混合比例等決定。此外，構成本發明的結構體的無機材料表面層12以如下方式構成在整個低溫區 域，該無機材料表面層12的熱導率低於金屬基材11的熱導率。另外，本說明書中的低溫區域和高溫區域根據其用途和構成結構體的金屬基材和 無機材料表面層的材質而不同，沒有特別限定，例如，在金屬基材為SUS430材料、無機材料 表面層由Mn02、CuO形成的結晶性無機材料和SiO2-BaO玻璃形成的無定形無機材料構成的 情況下，低溫區域為0°C 500°C，高溫區域為大於500°C且1000°C以下的範圍。在本發明的結構體中，由於無機材料表面層的熱導率低於金屬基材的熱導率，所 以，例如在如圖2(a)所示形狀的本發明的結構體10中，在利用貼於金屬基材11的內側的 加熱器等加熱金屬基材11時，或者在金屬基材11的內側空間配置熱源來加熱金屬基材11 時，向金屬基材11以及金屬基材11的內側空間的熱傳導速度較快，另一方面，熱量從金屬 基材11經由無機材料表面層12向結構體10的外部傳導的速度減慢。因此，本發明的結構 體10整體為絕熱性高的材料，從而在低溫區域熱量難以散到外部。因此，在使用本發明的結構體10來加熱內部時，可以使金屬基材11和金屬基材11的內側空間迅速升溫。而且，無機材料表面層12的紅外線發射率高於金屬基材11的紅外線發射率。在 本說明書中，無機材料表面層的紅外線發射率是指結晶性無機材料和無定形無機材料的混 合物在室溫下的紅外線發射率，是以在整個紅外區域的發射率的平均值表示的物理性質。另外，構成本發明的結構體的無機材料表面層12以如下方式構成在高溫區域， 無機材料表面層12的紅外線發射率高於金屬基材11的紅外線發射率。此處，按照史蒂芬-波爾茲曼定律(Mefan-Boltzmarm』 s law)，來自物體的單位 面積的輻射傳熱速度與物體溫度的4次方和物體的發射率的乘積成比例。因此，在高溫區 域，物體溫度的4次方一項的影響增大，輻射傳熱速度與低溫區域時相比飛躍性地增大。因此，通過增大無機材料表面層12的紅外線發射率，能夠增大經由無機材料表面 層12向結構體10的外部進行輻射傳熱的輻射傳熱速度，所以本發明的結構體10成為高散 熱性材料，從而使熱量容易散到外部。因此，若使用本發明的結構體10，能夠抑制高溫區域的金屬基材11和金屬基材11 的內側空間的溫度上升。此外，本發明的結構體為環狀體，所以能夠防止結構體內部的氣體或液體洩漏到 外部空間。因此，能夠確保結構體內部的絕熱性。並且，通過將本發明的結構體製成環狀體，在散熱性取決於輻射的高溫區域，能夠 提高散熱性，從而使結構體內部溫度得到降低。此處，本說明書中的環狀體是指，在X、Y、Z軸相互正交的三維直角坐標系中，X-Y、 Y-Z、Z-X平面之中至少在一個平面上該環狀體的形狀封閉。因此，本說明書中的環狀體不 僅包括與其長度方向垂直的截面形狀為圓形的環狀體，還包括截面形狀為橢圓形、矩形的 環狀體。儘管通過將本發明的結構體製成環狀體使散熱性得到提高的原因不清楚，但如圖 1所示，若來自熱源1的輻射熱2入射到結構體10的內壁，則從結構體10的表面輻射出輻 射熱3，同時被反射的輻射熱4再次入射到結構體10的內壁。這樣，再次從結構體10的表 面輻射出輻射熱5，被反射的輻射熱6再次入射到結構體10的內壁。以這種方式，推測當結 構體為環狀體時，通過輻射熱不斷地被反射使散熱得到進行，所以能夠改善散熱性。另外，對上述熱源沒有特別限定，可以舉出例如爐體、加熱器、反應氣體、加熱用油寸。尤其，通過將本發明的結構體製成環狀體，能夠使作為上述熱源的反應氣體或加 熱用油這類的高溫氣體或液體在結構體內流通，而不會洩漏到外部空間。作為上述基材的材料，可以使用鋼、鐵、銅等金屬；鎳鉻鐵合金(inconel)、哈斯特 洛伊耐蝕鎳基合金(hastelloy)、不脹鋼(invar)等鎳基合金；不鏽鋼等其它合金等。由於 這些金屬材料的熱導率高，所以在用作本發明的結構體的基材材料時，能夠加快向基材和 基材的內側空間的熱傳導速度，從而能夠縮短升溫到預定溫度的時間。並且，這些金屬材料的耐熱性高，所以能夠適合在500°C 1000°C的溫度區域使 用。而且，通過將這些金屬材料製成基材，能夠將本發明的結構體製成耐熱衝擊性、加工性、 機械特性等優異且成本較低的結構體。上述基材的厚度的優選下限為0.2mm，更優選的下限為0.4mm，優選的上限為10mm，更優選的上限為4mm。這是因為，若厚度小於0. 2mm,則強度不夠，從而不能用作加熱爐的結構體，並且， 若厚度大於10mm，則基材升溫所需的時間變長。上述無機材料表面層由結晶性無機材料和無定形無機材料構成。對於結晶性無機材料沒有特別限定，優選使用過渡金屬氧化物，優選選自由二氧 化錳、氧化錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化銅以及氧化鉻組成的組中的至少一種氧化物。這種過渡金屬氧化物的熱導率低於金屬基材的熱導率，所以能夠減慢熱量經由無 機材料表面層傳導到結構體外部的速度，從而能夠將本發明的結構體製成絕熱性高的結構 體。並且，這種過渡金屬氧化物在紅外區域的發射率高，所以能夠形成高發射率的無 機材料表面層。因此，能夠將本發明的結構體製成高散熱性的結構體。無機材料表面層可以如圖2(a)和圖2(c)所示設置在作為環狀體的金屬基材11、 31的外表面，也可以如圖2(b)和圖2(d)所示設置在作為環狀體的金屬基材21、41的內表面。而且，還可以將無機材料表面層設置在作為環狀體的基材的內表面和外表面的兩 面上。該情況下，能夠進一步提高絕熱性能和散熱性能。對於無定形無機材料沒有特別限定，優選選自由鋇玻璃、硼玻璃、鍶玻璃、鋁矽酸 鹽玻璃、鈉鋅玻璃以及鈉鋇玻璃組成的組中的至少1種材料。這種無定形無機材料是低熔點玻璃，軟化溫度在400°C 1000°C的範圍，因此，通 過將其熔融後塗布到金屬基材的表面並進行加熱燒制處理，能夠容易且牢固地在金屬基材 的表面上形成無機材料表面層。而且，這種無定形無機材料的熱導率低於金屬基材的熱導率，所以能夠減慢熱量 經由無機材料表面層傳導到外部的速度，能夠將本發明的結構體製成絕熱性高的結構體。此處，在構成無機材料表面層的材料之中，由過渡金屬氧化物形成的結晶性無機 材料的熱膨脹率較低、為8X10_6/°C 9X10_6/°C，由低熔點玻璃形成的無定形無機材料 的熱膨脹率較高、為8X10_6/°C 25X10_6/°C，所以通過調整上述結晶性無機材料和上述 無定形無機材料的混合比，能夠控制無機材料表面層的熱膨脹率。金屬基材例如不鏽鋼的 熱膨脹率為10X10_6/°C 18X10_6/°C，所以通過調整上述結晶性無機材料和上述無定形 無機材料的混合比，能夠使無機材料表面層與金屬基材的熱膨脹率接近，從而能夠提高無 機材料表面層和金屬基材的密合力。無機材料表面層的優選的熱膨脹率根據無機材料表 面層與基材的金屬材料的組合而不同，優選無機材料表面層與金屬基材的熱膨脹率之差為 10X1(T6/°C 以下。如上所述，無機材料表面層中的結晶性無機材料的混合比例由與控制熱膨脹率的 關係決定，該混合比例的優選下限為10重量％，更優選的下限為30重量％，優選的上限 為90重量％，更優選的上限為70重量％。這是因為，若結晶性無機材料的混合比例小於 10重量％，則不能充分提高發射率，導致高溫下的散熱性降低，並且，若混合比例大於90重 量％，則無機材料表面層與金屬基材的密合性下降。而且，無機材料表面層的厚度的優選下限為2μπι，優選的上限為50μπι。這時因 為，當厚度小於2 μ m時，低溫時的絕熱性能下降，並且，當厚度大於50 μ m時，難以在基材上形成膜。此外，對本發明的結構體的形狀沒有特別限定，只要是環狀體即可，優選圖2所示 的圓筒形或橢圓筒形。在本發明的結構體為圖2(a)所示的圓筒形的情況下，其直徑(外徑)的優選下限 為5mm，優選上限為200mm。通過設定為上述範圍，能夠有效發揮散熱性能和絕熱性能。另外，在本發明的結構體中，優選上述無機材料表面層在室溫下的熱導率為0. Iff/ mK 2ff/mK。無機材料表面層在室溫下的熱導率可以通過細線加熱法、熱絲法、雷射閃光法等 已知的測定方法進行測定。但是，若以保持本發明的結構體的形狀的狀態進行測定，則是對包括金屬基材的 結構體整體的熱導率進行測定，從而不能測定無機材料表面層的熱導率，所以需要另外製 備測定樣品。具體地說，將結晶性無機材料和無定形無機材料以預定比例粉碎混合，接著，加熱 到無定形無機材料的熔點以上的溫度，在以無定形無機材料處於熔融的狀態下進行混煉， 通過冷卻凝固製備固態物。將該固態物加工成適合於各測定方法的形狀，從而能夠通過已知的測定方法測定 熱導率。由於能夠用作結晶性無機材料的過渡金屬氧化物在室溫下的熱導率為0. 5W/ mK 2W/mK，能夠用作無定形無機材料的低熔點玻璃在室溫下的熱導率為0. Iff/mK 1. 2W/ mK，所以由這些結晶性無機材料和無定形無機材料製備無機材料表面層時，能夠使無機材 料表面層在室溫下的熱導率處於0. Iff/mK 2W/mK的範圍內。在本發明的結構體中，若無機材料表面層在室溫下的熱導率為0. Iff/mK 2W/mK， 則能夠顯著地降低熱量經由無機材料表面層傳導到外部的速度。因此，能夠製成在低溫區 域的絕熱性極高的結構體。以本發明的無機材料表面層的組成難以製成熱導率小於0. Iff/mK的無機材料表 面層，另外，若熱導率大於2W/mK，則低溫下的絕熱性不足。而且，在本發明的結構體中，優選上述無機材料表面層在室溫下、在波長為 1 μ m 15 μ m的發射率是0. 7 0. 98。無機材料表面層的發射率可以通過對本發明的結構體的形成有無機材料表面層 的面進行測定，另外，也可以採用與熱導率的測定相同的方式另外製備測定樣品進行測定。 作為測定方法，可以採用已知的分光光度法進行測定。能夠用作結晶性無機材料的過渡金屬氧化物在室溫下、在波長為1 μ m 15 μ m的 發射率是0. 75 0. 98，能夠用作無定形無機材料的低熔點玻璃在室溫下、在波長為1 μ m 15 μ m的發射率是0. 65 0. 96，因此，由這些結晶性無機材料和無定形無機材料製備無機 材料表面層時，能夠使無機材料表面層的發射率處於0. 7 0. 98的範圍內。波長為Iym 15 μπι的區域是所謂的近紅外區域、遠紅外區域，是熱作用較大的 區域。當無機材料表面層在該區域的發射率為0. 7 0. 98時，尤其在高溫區域能夠顯著地 增大從無機材料表面層向外部的輻射傳熱速度。因此，能夠製成在高溫區域散熱性極高的 結構體。
若發射率小於0. 7，則無機材料表面層的散熱性不足，另外，以本發明的無機材料 表面層的組成難以製成發射率大於0. 98的無機材料表面層。此外，在本發明的結構體中，優選上述基材表面的凹凸量為上述無機材料 表面層的厚度的1/60以上。另外，Rztis是根據JIS B 0601 :2001定義的十點平均粗糙度。若在基材表面形成凹凸，則與基材表面平滑的情況相比，能夠使無機材料表面層 牢固地與基材密合，從而能夠形成即使經過反覆的升溫、降溫也不會剝離的無機材料表面層。另外，若基材表面的凹凸量為無機材料表面層厚度的1/60以上，則可沿著基材表 面的凹凸形成無機材料表面層，所以與基材表面平滑的情況相比，基材表面的凹凸使無機 材料表面層的表面積增大，從而使有助於輻射傳熱的面積增大，因此，能夠進一步提高本發 明的結構體的散熱性。接著，說明本發明的結構體的製造方法。本發明的結構體的製造方法包括如下工序金屬基材的表面處理工序；混合工 序，用於將結晶性無機材料和無定形無機材料進行溼式混合以製備漿液；塗布工序，用於將 漿液塗布到金屬基材上；以及燒制工序，用於對塗布了漿液的金屬基材進行燒制以使無機 材料覆膜固定在金屬基材上。首先，實施對金屬基材進行表面處理的表面處理工序。金屬基材的表面處理是如下的工序除去金屬基材上的雜質，並且，根據需要，在 金屬基材表面上形成凹凸。對於處理金屬基材上的雜質的方法沒有特別限定，可以使用一般的清洗方法。例 如，可以使用在乙醇溶劑中進行超聲波清洗等的處理方法。對於在金屬基材表面上形成凹凸的方法也沒有特別限定，例如可以舉出噴砂處 理、蝕刻處理、高溫氧化處理等方法。這些方法可以單獨使用，也可以合用多種方法。作為 上述形成凹凸的方法，可以採用以往使用的方法。另外，在金屬基材表面上形成凹凸的工序並不是必須的工序，可以根據情況省略。接著，進行將結晶性無機材料和無定形無機材料溼式混合的混合工序。在該工序中，分別將結晶性無機材料的粉末和無定形無機材料的粉末製成預定的 粒度、形狀等，以預定的混合比例乾式混合各粉末以製備混合粉末，進一步加水，利用球磨 機進行溼式混合，從而製備漿液。對混合粉末與水的混合比沒有特別限定，相對於100重量份的混合粉末，優選水 為100重量份左右。這是因為，為了塗布到金屬基材上，需要製成適當的粘度。另外，根據 需要，可以使用有機溶劑。接著，進行在金屬基材上塗布漿液的塗布工序。在該工序中，在經表面處理工序進行了表面處理的金屬基材上塗布由混合工序制 備的漿液。對於塗布方法沒有特別限定，只要是能夠將漿液均勻地塗布到金屬基材上的方 法即可，例如可以舉出噴塗法、轉印、刷塗等方法。接著，實施對塗布了漿液的金屬基材進行燒制的燒制工序。在該工序中，在將經塗布工序塗布有漿液的金屬基材進行乾燥後，通過加熱燒制 形成無機材料表面層。燒制溫度優選為無定形無機材料的熔點以上的溫度，儘管燒制溫度還取決於所混合的無定形無機材料的種類，但優選燒制溫度為700°C 1100°C左右。通過 將燒制溫度設定為無定形無機材料的熔點以上的溫度，能夠使金屬基材和無定形無機材料 牢固地密合，從而能夠形成對反覆的升溫、降溫不產生剝離的無機材料表面層。實施例下面舉出實施例來更詳細地說明本發明，但本發明不受這些實施例限定。(實施例1)(製造金屬基材)將厚度為2mm、直徑為IOOmm的SUS430材料的圓筒切割成IOOmm的長度以作為金 屬基材，所述SUS430材料在室溫下的熱導率(下面設為λ )為25W/mK、在室溫到500°C的 範圍內測定的熱膨脹率(下面設為α)為10.4X10_6/°C。並且，準備2個與上述圓筒相同材質的厚度為2mm、直徑為IOOmm的蓋用圓盤。接著，組裝成圓柱形狀。具體地說，將2個蓋用圓盤作為底表面和上表面，並與金屬基材的兩個開口面對 合併焊接，從而將開口面封閉，形成圓柱形體。接著，如下進行表面處理工序在乙醇溶劑中對圓柱形體進行超聲波清洗，然後， 進行噴砂處理，從而對圓柱形體的外表面清洗、粗糙化。對於噴砂處理，使用#600的SiC磨粒進行10分鐘。此處，對表面處理工序後的金屬基材表面的Rztis進行測定，結果為1. 5μπι。(形成無機材料表面層)接著，將作為結晶性無機材料的65重量％的Mr^2粉末和5重量％的CuO粉末以 及作為無定形無機材料的30重量％的BaO-SW2玻璃粉末進行乾式混合以製備混合粉末， 相對於100重量份的混合粉末，加入100重量份的水，利用球磨機進行溼式混合，從而製備 漿液。另外，將該組成的結晶性無機材料和無定形無機材料粉碎混合，接著，加熱到無定 形無機材料的熔點以上的溫度，在使無定形無機材料熔融的狀態下進行混煉，通過冷卻凝 固製作固態物，利用快速熱導率測定儀(京都電子工業製造QTM_500)測定λ。並且，利用 TMA (Thermo mechanical Analysis)裝置(Rigaku 製造:TMA 8310)在從室溫到 500°C 的範 圍測定α。將其結果示於表1。進行如下塗布工序通過噴塗向上述圓柱形體的外表面塗布上述漿液。然後，將通過噴塗形成了塗布層的上述圓柱形體在100°C下乾燥2小時，然後，實 施在空氣中於700°C加熱燒制1小時的燒制工序以形成無機材料表面層102，由此製造圓柱 形結構體100(參照圖3)。利用分光光度計(測定裝置=Perkin Elmer製造system 200型)測定所形成的 無機材料表面層102在室溫下波長為Iym 15μπι的發射率。並且，測定所形成的無機材 料表面層102的厚度。將這些結果示於表2。(形成貫通孔)為了設置後述的陶瓷加熱器，在通過上述工序製造的圓柱形結構體100的底面中 央部位形成長52mmX寬52mm的貫通孔。(製作評價裝置)
圖3是示意性地表示用於評價本發明的結構體的性能的評價裝置的局部缺口的 立體圖。本圖中，省略結構體的上表面和前側的側面來描述。在該評價裝置160中，在圓柱形結構體100的中央部位配置有長50mmX寬50mmX 高20mm的陶瓷加熱器161，通過加熱器的加熱，能夠使結構體內部空間升溫。並且，在距離結構體100的底面的內表面IOmm的位置配置有熱電偶162，從而能夠 測定結構體內部空間的溫度。這些陶瓷加熱器161和熱電偶162的設置和布線通過設置於結構體100的底面的 貫通孔來進行，並且，陶瓷加熱器161的底部與支柱163接合以使陶瓷加熱器161得到支撐。而且，結構體100安裝設置於採用與金屬基材101相同材質而形成的安裝支柱164 上，使結構體100的底面的大部分不與其它部分直接接觸。使用評價裝置160評價結構體的性能。(評價在低溫區域的絕熱性能)向陶瓷加熱器161供給2kW的電力，測定所設置的熱電偶162的指示溫度達到 500°C的升溫時間。將該結果示於表2。(評價在高溫區域的散熱性能)在向陶瓷加熱器161供給2kW電力的狀態下，測定散熱量與供給電量處於平衡且 溫度處於恆定的時刻的熱電偶162的指示溫度作為最高溫度。將該結果示於表2。(評價無機材料表面層的密合性)向陶瓷加熱器161供給電力，使結構體內部空間的溫度上升到800°C，然後通過自 然冷卻冷卻到室溫，將這樣的工序設為1次循環，進行10次循環的反覆試驗，反覆試驗後目 視觀察無機材料表面層102是否從金屬基材101上剝離。將其結果示於表2。(實施例2 實施例4、實施例7、參考例1、參考例2)無定形無機材料的比例、結晶材料的種類、基材材質分別如表1所示，使用這些材 料並採用與實施例1相同的方式製作結構體。此處，結晶材料的比例是100%減去表1所示的無定形無機材料的比例後得到的 比例，當結晶材料由2種材料構成時，其組成分別為MnA CuO = 65重量5重量％、 MnO2 Fe3O4 = 65 重量 ％ 5 重量 ％。在各實施例等中，採用與實施例1相同的方式測定金屬基材和無機材料表面層的 λ和α以及無機材料表面層的發射率。將該結果示於表1。並且，在各實施例和參考例中，以如下方式進行表面處理工序通過改變對金屬基 材進行噴砂處理的處理時間以使表面處理後的基材表面的Rztis達到表2所示的值。而且，在各實施例和參考例中，以如下方式進行塗布工序改變噴塗漿液的條件以 使無機材料表面層具有表2所示的厚度。在各實施例和參考例中，採用與實施例1相同的方式，對製作的各結構體使用評 價裝置160來評價結構體的性能。將評價結果匯總示於表2。(實施例5)在組裝成圓柱形狀之前，採用與實施例1相同的方式，對圓筒形的金屬基材進行如下的表面處理工序在乙醇溶劑中對該金屬基材進行超聲波清洗，之後進行噴砂處理，從 而清洗並粗糙化金屬基材的內表面。並且，還採用相同方式對2個蓋用圓盤的一面進行表面處理工序。採用與實施例1相同的方式製備漿液，然後進行如下塗布工序通過噴塗向圓筒 形的金屬基材的內表面和蓋用圓盤的一面(進行了噴砂處理的面)塗布該漿液。然後，採用與實施例1相同的方式，進行燒制工序，從而形成無機材料表面層。使形成了無機材料表面層的面成為結構體的內表面，通過將2個蓋用圓盤與底表 面、上表面對合併與金屬基材焊接以使開口面封閉，由此製作出圓柱形結構體。然後，採用與實施例1相同的方式，使用評價裝置160評價結構體的性能。匯總這些條件和評價結果並示於表1和表2。(實施例6)首先，採用與實施例5相同的方式，製造內表面形成有無機材料表面層的圓柱形 結構體。接著，採用與實施例1相同的方式，對該圓柱形結構體進行表面處理，並在該圓柱 形結構體的外表面形成無機材料表面層，從而製作出外表面和內表面的兩面具有無機材料 表面層的結構體。然後，採用與實施例1相同的方式，使用評價裝置160評價結構體的性能。匯總這些條件和評價結果並示於表1和表2。(參考例3)將65重量％的石英粉末作為結晶性無機材料、30重量％的BaO-SW2玻璃粉末和 5重量％的飄塵作為無定形無機材料進行乾式混合以製備混合粉末，除此之外，採用與實施 例1相同的方式，製作具有無機材料表面層的結構體。然後，採用與實施例1相同的方式， 使用評價裝置160評價結構體的性能。匯總這些條件和評價結果並示於表1和表2。(比較例1)未在金屬基材和蓋用圓盤上形成無機材料表面層，除此之外，採用與實施例1相 同的方式，製作結構體。然後，採用與實施例1相同的方式，使用評價裝置160評價結構體 的性能。並且，採用實施例1相同的方法測定金屬基材表面的發射率。匯總這些條件和評價結果並示於表1和表2。(比較例2)將實施例1中使用的圓筒形的金屬基材以平行於其長度方向在兩處進行切削，制 作側面的1/4被切下的圓筒形的金屬基材。之後，將上述圓筒形的金屬基材與蓋用圓盤對合，製作側面的一部分開口的圓柱 形體，除此之外，採用與實施例1相同的方式，製作外表面具有無機材料表面層的結構體。然後，採用與實施例1相同的方式，使用評價裝置160評價結構體的性能。匯總這些條件和評價結果並示於表1和表2。另外，比較例2製造的結構體為側面不封閉的形狀，所以，該結構體是基材形狀不 為環狀體的結構體。
權利要求
1.一種結構體，該結構體由基材和無機材料表面層構成，所述基材由金屬形成，所述無 機材料表面層由結晶性無機材料和無定形無機材料形成，所述結構體的特徵在於，所述無 機材料表面層的熱導率低於所述基材的熱導率，所述無機材料表面層的紅外線發射率高於 所述基材的紅外線發射率，並且，所述基材為環狀體，所述無機材料表面層設置在所述基材的外表面。
2.根據權利要求1所述的結構體，其中，所述結晶性無機材料由過渡金屬氧化物形成。
3.根據權利要求2所述的結構體，其中，所述過渡金屬氧化物為選自由二氧化錳、氧化 錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化銅以及氧化鉻組成的組中的至少一種氧化物。
4.根據權利要求1所述的結構體，其中，所述結晶性無機材料由莫來石、Al2O3或石英形成。
5.根據權利要求1 4任一項所述的結構體，其中，所述無機材料表面層的厚度為 2 μ m 50 μ m。
6.根據權利要求1 5任一項所述的結構體，其中，所述無機材料表面層的熱膨脹率與 所述基材的熱膨脹率之差為10X10_6/°C以下。
7.根據權利要求1 6任一項所述的結構體，其中，所述無定形無機材料為選自由鋇玻 璃、硼玻璃、鍶玻璃、鋁矽酸鹽玻璃、鈉鋅玻璃以及鈉鋇玻璃組成的組中的至少1種材料。
8.根據權利要求1 7任一項所述的結構體，其中，所述無機材料表面層中的所述結晶 性無機材料的混合比例為30重量％ 90重量％。
9.根據權利要求1 8任一項所述的結構體，其中，所述無機材料表面層在室溫下的熱 導率為 0. Iff/mK 2W/mK。
10.根據權利要求1 9任一項所述的結構體，其中，所述無機材料表面層在室溫下、在 波長為1 μ m 15 μ m的發射率是0. 7 0. 98。
11.根據權利要求1 10任一項所述的結構體，其中，所述基材表面的凹凸量為所述無 機材料表面層的厚度的1/60以上，所述凹凸量表示為R~IS。
全文摘要
本發明提供一種結構體，本發明的目的是提供一種在低溫區域絕熱性高、在高溫區域散熱性高的材料。本發明的結構體由基材和無機材料表面層構成，所述基材由金屬形成，所述無機材料表面層由結晶性無機材料和無定形無機材料形成，所述結構體的特徵在於，所述無機材料表面層的熱導率低於所述基材的熱導率，所述無機材料表面層的紅外線發射率高於所述基材的紅外線發射率，並且，所述基材為環狀體；所述無機材料表面層設置在所述基材的外表面。
文檔編號C30B35/00GK102121105SQ201110032909
公開日2011年7月13日 申請日期2007年6月25日 優先權日2006年9月12日
發明者伊藤康隆 申請人:揖斐電株式會社