專利名稱：結(jié)構(gòu)體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)體。
背景技術(shù)：
在用于晶體生長等的高溫下使用的加熱爐中，為了縮短處理時(shí)間，優(yōu)選升溫到預(yù) 定處理溫度的時(shí)間較短，但另一方面，為了使熱處理溫度穩(wěn)定，優(yōu)選升溫到預(yù)定的處理溫度 之后，爐內(nèi)不過度升溫而超過處理溫度。例如，在使hfeiSb晶體生長時(shí)，在加熱爐中放置塊狀feiSb原料，在feiSb原料之上 放置hfeSb原料，然后對加熱爐進(jìn)行感應(yīng)加熱，以加熱爐的溫度處于feiSb的熔點(diǎn)(712°C ) 和hfeiSb的熔點(diǎn)(525°C 712°C)之間的方式進(jìn)行加熱。若以這種方式進(jìn)行加熱，則 僅hfeiSb原料熔融并形成InfeiSb晶體溶液，由于該溶液存留在feiSb塊之上，所以，在使 GaSb晶種與該溶液接觸并保持^feSb溶液溫度恒定的基礎(chǔ)上，邊旋轉(zhuǎn)邊拉晶，從而能夠使 InGaSb單晶生長。在上述工序中，優(yōu)選加熱爐升溫至525°C以上的時(shí)間較短，并且，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(shí)間，有效的是提高低溫區(qū)域的爐內(nèi)絕熱性，因此考 慮優(yōu)選使用絕熱性高的材料、即熱導(dǎo)率低的材料制作爐體(爐內(nèi)壁)。并且，為了爐內(nèi)不過度升溫而超過處理溫度，有效的是提高高溫區(qū)域的散熱性以 使?fàn)t體難以在高溫區(qū)域升溫，因此考慮優(yōu)選使用散熱性高的材料、即發(fā)射率高的材料制作 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，耐熱沖擊性差且價(jià)格高，所以，用這些材料制造整個(gè)爐體 是不現(xiàn)實(shí)的。因此，優(yōu)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(xiàn)1中，公開了一種遠(yuǎn)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(diǎn)高膨脹玻璃構(gòu)成的無機(jī)化合 物覆膜而形成。而且，在專利文獻(xiàn)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(diǎn)高膨脹玻璃構(gòu)成的紅外線 黑體涂料覆膜而形成。但是，這些遠(yuǎn)紅外線輻射體和紅外線輻射體存在高溫時(shí)的散熱性不足的問題，因 此，需求一種在該溫度區(qū)域具有更加良好的散熱特性的材料。并且，不能保證這些遠(yuǎn)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(xiàn)1 特公平2-47555號公報(bào)
專利文獻(xiàn)2 特公平3-62798號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決這類問題而完成的，其目的在于，提供一種在低溫區(qū)域絕熱性 高、在高溫區(qū)域散熱性高的結(jié)構(gòu)體。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體由基材和無機(jī)材料表面層構(gòu)成，所述基材由金屬形成，所述無機(jī) 材料表面層由結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料形成，所述結(jié)構(gòu)體的特征在于，上述無機(jī) 材料表面層的熱導(dǎo)率低于上述基材的熱導(dǎo)率，上述無機(jī)材料表面層的紅外線發(fā)射率高于上 述基材的紅外線發(fā)射率，并且，上述基材為環(huán)狀體。并且，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體中，優(yōu)選上述無機(jī)材料表面層在室溫下的熱導(dǎo)率為0. Iff/ mK 2ff/mK。而且，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體中，優(yōu)選上述無機(jī)材料表面層在室溫下、在波長為 1 μ m 15 μ m的發(fā)射率是0. 7 0. 98。此外，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體中，優(yōu)選上述基材表面的凹凸量為上述無機(jī)材料 表面層的厚度的1/60以上。由于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)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(huán)狀體，所以能夠防止氣體或液體泄漏到外部空間，從而確保結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的絕熱性， 而且，在基材的表面(內(nèi)表面或外表面)形成有無機(jī)材料表面層，所述無機(jī)材料表面層的熱 導(dǎo)率低于所述基材的熱導(dǎo)率，所述無機(jī)材料表面層的紅外線發(fā)射率高于所述基材的紅外線 發(fā)射率，所以，在散熱性取決于熱傳導(dǎo)的低溫區(qū)域，能夠阻礙來自結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的散熱，從而 能夠使結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的絕熱性得到進(jìn)一步改善，而在散熱性取決于輻射的高溫區(qū)域，能夠促 進(jìn)來自結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的散熱，從而能夠使結(jié)構(gòu)體內(nèi)部溫度得到降低。另外，上述結(jié)構(gòu)體中的基材為環(huán)狀體，所以結(jié)構(gòu)體本身為環(huán)狀體。盡管對于通過將結(jié)構(gòu)體制成環(huán)狀體可使高溫區(qū)域的散熱性得到改善的機(jī)理不明 確，但是，本發(fā)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(jié)構(gòu)體的內(nèi)壁， 則從結(jié)構(gòu)體的表面輻射出輻射熱3，同時(shí)被反射的輻射熱4再次入射到結(jié)構(gòu)體的內(nèi)壁。這 樣，再次從結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體的內(nèi)壁。以 這種方式，推測當(dāng)結(jié)構(gòu)體為環(huán)狀體時(shí)，通過輻射熱不斷地被反射使散熱得到進(jìn)行，因而能夠 改善散熱性。采用這種方式，本發(fā)明具有如下的顯著效果能夠使結(jié)構(gòu)體內(nèi)部快速升溫和防止 結(jié)構(gòu)體內(nèi)部過熱這一原本矛盾的效果同時(shí)實(shí)現(xiàn)。這樣的效果沒有記載于上述舉出的現(xiàn)有技術(shù)中?，F(xiàn)有技術(shù)僅限于公開板狀體，最初沒有記載可以使結(jié)構(gòu)體內(nèi)部絕熱的效果和可以 反射輻射熱這樣的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。


圖1是示意性地表示在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部發(fā)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(fā)明的結(jié)構(gòu)體的一例的 立體圖。
圖3是示意性地表示用于評價(jià)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的性能的評價(jià)裝置的局部缺口立 體圖。符號說明10、20、30、40、100 結(jié)構(gòu)體；11、21、31、41、101 金屬基材；12、22、32、42、102 無機(jī)材
料表面層。
具體實(shí)施例方式
首先，使用附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行說明。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體由基材和無機(jī)材料表面層構(gòu)成，所述基材由金屬形成(下面也稱 為金屬基材)，所述無機(jī)材料表面層由結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料形成，所述結(jié)構(gòu)體 的特征在于，上述無機(jī)材料表面層的熱導(dǎo)率低于上述基材的熱導(dǎo)率，上述無機(jī)材料表面層 的紅外線發(fā)射率高于上述基材的紅外線發(fā)射率，而且，上述基材為環(huán)狀體。圖2是示意性地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的一例的立體圖，圖2(a)和圖2(b)是圓筒 形的結(jié)構(gòu)體，圖2(c)和圖2(d)是橢圓筒形的結(jié)構(gòu)體，在各基材的外表面或內(nèi)表面形成有無 機(jī)材料表面層。這些結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體為例 說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體。圖2(a)所示的結(jié)構(gòu)體10的結(jié)構(gòu)如下在由金屬形成的圓筒形金屬基材11的外側(cè) 表面，覆蓋有由結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料形成的無機(jī)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(jié)構(gòu)。并且，無機(jī)材料表面層12以如下方式構(gòu)成該無機(jī)材料表面層12在室溫下的熱導(dǎo) 率低于金屬基材11的熱導(dǎo)率，在室溫下的紅外線發(fā)射率高于金屬基材11的紅外線發(fā)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(jī)材料表面層的熱導(dǎo)率是指結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī) 材料的混合物在室溫下的熱導(dǎo)率，所述熱導(dǎo)率由構(gòu)成無機(jī)材料表面層的各結(jié)晶性無機(jī)材料 和無定形無機(jī)材料的熱導(dǎo)率及其混合比例等決定。此外，構(gòu)成本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的無機(jī)材料表面層12以如下方式構(gòu)成在整個(gè)低溫區(qū) 域，該無機(jī)材料表面層12的熱導(dǎo)率低于金屬基材11的熱導(dǎo)率。另外，本說明書中的低溫區(qū)域和高溫區(qū)域根據(jù)其用途和構(gòu)成結(jié)構(gòu)體的金屬基材和 無機(jī)材料表面層的材質(zhì)而不同，沒有特別限定，例如，在金屬基材為SUS430材料、無機(jī)材料 表面層由Mn02、CuO形成的結(jié)晶性無機(jī)材料和SiO2-BaO玻璃形成的無定形無機(jī)材料構(gòu)成的 情況下，低溫區(qū)域?yàn)?°C 500°C，高溫區(qū)域?yàn)榇笥?00°C且1000°C以下的范圍。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體中，由于無機(jī)材料表面層的熱導(dǎo)率低于金屬基材的熱導(dǎo)率，所 以，例如在如圖2(a)所示形狀的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體10中，在利用貼于金屬基材11的內(nèi)側(cè)的 加熱器等加熱金屬基材11時(shí)，或者在金屬基材11的內(nèi)側(cè)空間配置熱源來加熱金屬基材11 時(shí)，向金屬基材11以及金屬基材11的內(nèi)側(cè)空間的熱傳導(dǎo)速度較快，另一方面，熱量從金屬 基材11經(jīng)由無機(jī)材料表面層12向結(jié)構(gòu)體10的外部傳導(dǎo)的速度減慢。因此，本發(fā)明的結(jié)構(gòu) 體10整體為絕熱性高的材料，從而在低溫區(qū)域熱量難以散到外部。因此，在使用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體10來加熱內(nèi)部時(shí)，可以使金屬基材11和金屬基材11的內(nèi)側(cè)空間迅速升溫。而且，無機(jī)材料表面層12的紅外線發(fā)射率高于金屬基材11的紅外線發(fā)射率。在 本說明書中，無機(jī)材料表面層的紅外線發(fā)射率是指結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料的混 合物在室溫下的紅外線發(fā)射率，是以在整個(gè)紅外區(qū)域的發(fā)射率的平均值表示的物理性質(zhì)。另外，構(gòu)成本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的無機(jī)材料表面層12以如下方式構(gòu)成在高溫區(qū)域， 無機(jī)材料表面層12的紅外線發(fā)射率高于金屬基材11的紅外線發(fā)射率。此處，按照斯蒂芬-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(fā)射率的乘積成比例。因此，在高溫區(qū) 域，物體溫度的4次方一項(xiàng)的影響增大，輻射傳熱速度與低溫區(qū)域時(shí)相比飛躍性地增大。因此，通過增大無機(jī)材料表面層12的紅外線發(fā)射率，能夠增大經(jīng)由無機(jī)材料表面 層12向結(jié)構(gòu)體10的外部進(jìn)行輻射傳熱的輻射傳熱速度，所以本發(fā)明的結(jié)構(gòu)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(fā)明的結(jié)構(gòu)體10，能夠抑制高溫區(qū)域的金屬基材11和金屬基材11 的內(nèi)側(cè)空間的溫度上升。此外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體為環(huán)狀體，所以能夠防止結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的氣體或液體泄漏到 外部空間。因此，能夠確保結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的絕熱性。并且，通過將本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體制成環(huán)狀體，在散熱性取決于輻射的高溫區(qū)域，能夠 提高散熱性，從而使結(jié)構(gòu)體內(nèi)部溫度得到降低。此處，本說明書中的環(huán)狀體是指，在X、Y、Z軸相互正交的三維直角坐標(biāo)系中，X-Y、 Y-Z、Z-X平面之中至少在一個(gè)平面上該環(huán)狀體的形狀封閉。因此，本說明書中的環(huán)狀體不 僅包括與其長度方向垂直的截面形狀為圓形的環(huán)狀體，還包括截面形狀為橢圓形、矩形的 環(huán)狀體。盡管通過將本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體制成環(huán)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(jié)構(gòu)體10的內(nèi)壁，則從結(jié)構(gòu)體10的表面輻射出輻 射熱3，同時(shí)被反射的輻射熱4再次入射到結(jié)構(gòu)體10的內(nèi)壁。這樣，再次從結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體10的內(nèi)壁。以這種方式，推測當(dāng)結(jié) 構(gòu)體為環(huán)狀體時(shí)，通過輻射熱不斷地被反射使散熱得到進(jìn)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(yīng)氣體、加熱用油寸。尤其，通過將本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體制成環(huán)狀體，能夠使作為上述熱源的反應(yīng)氣體或加 熱用油這類的高溫氣體或液體在結(jié)構(gòu)體內(nèi)流通，而不會泄漏到外部空間。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；不銹鋼等其它合金等。由于 這些金屬材料的熱導(dǎo)率高，所以在用作本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的基材材料時(shí)，能夠加快向基材和 基材的內(nèi)側(cè)空間的熱傳導(dǎo)速度，從而能夠縮短升溫到預(yù)定溫度的時(shí)間。并且，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(qū)域使 用。而且，通過將這些金屬材料制成基材，能夠?qū)⒈景l(fā)明的結(jié)構(gòu)體制成耐熱沖擊性、加工性、 機(jī)械特性等優(yōu)異且成本較低的結(jié)構(gòu)體。10mm，更優(yōu)選的上限為4mm。這是因?yàn)椋艉穸刃∮?. 2mm,則強(qiáng)度不夠，從而不能用作加熱爐的結(jié)構(gòu)體，并且， 若厚度大于10mm，則基材升溫所需的時(shí)間變長。上述無機(jī)材料表面層由結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料構(gòu)成。對于結(jié)晶性無機(jī)材料沒有特別限定，優(yōu)選使用過渡金屬氧化物，優(yōu)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(dǎo)率低于金屬基材的熱導(dǎo)率，所以能夠減慢熱量經(jīng)由無 機(jī)材料表面層傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)體外部的速度，從而能夠?qū)⒈景l(fā)明的結(jié)構(gòu)體制成絕熱性高的結(jié)構(gòu) 體。并且，這種過渡金屬氧化物在紅外區(qū)域的發(fā)射率高，所以能夠形成高發(fā)射率的無 機(jī)材料表面層。因此，能夠?qū)⒈景l(fā)明的結(jié)構(gòu)體制成高散熱性的結(jié)構(gòu)體。無機(jī)材料表面層可以如圖2(a)和圖2(c)所示設(shè)置在作為環(huán)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(shè)置在作為環(huán)狀體的金屬基材21、41的內(nèi)表面。而且，還可以將無機(jī)材料表面層設(shè)置在作為環(huán)狀體的基材的內(nèi)表面和外表面的兩 面上。該情況下，能夠進(jìn)一步提高絕熱性能和散熱性能。對于無定形無機(jī)材料沒有特別限定，優(yōu)選選自由鋇玻璃、硼玻璃、鍶玻璃、鋁硅酸 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(jī)材料是低熔點(diǎn)玻璃，軟化溫度在400°C 1000°C的范圍，因此，通 過將其熔融后涂布到金屬基材的表面并進(jìn)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(jī)材料表面層。而且，這種無定形無機(jī)材料的熱導(dǎo)率低于金屬基材的熱導(dǎo)率，所以能夠減慢熱量 經(jīng)由無機(jī)材料表面層傳導(dǎo)到外部的速度，能夠?qū)⒈景l(fā)明的結(jié)構(gòu)體制成絕熱性高的結(jié)構(gòu)體。此處，在構(gòu)成無機(jī)材料表面層的材料之中，由過渡金屬氧化物形成的結(jié)晶性無機(jī) 材料的熱膨脹率較低、為8X10_6/°C 9X10_6/°C，由低熔點(diǎn)玻璃形成的無定形無機(jī)材料 的熱膨脹率較高、為8X10_6/°C 25X10_6/°C，所以通過調(diào)整上述結(jié)晶性無機(jī)材料和上述 無定形無機(jī)材料的混合比，能夠控制無機(jī)材料表面層的熱膨脹率。金屬基材例如不銹鋼的 熱膨脹率為10X10_6/°C 18X10_6/°C，所以通過調(diào)整上述結(jié)晶性無機(jī)材料和上述無定形 無機(jī)材料的混合比，能夠使無機(jī)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(jī)材料表面層和金屬基材的密合力。無機(jī)材料表面層的優(yōu)選的熱膨脹率根據(jù)無機(jī)材料表 面層與基材的金屬材料的組合而不同，優(yōu)選無機(jī)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(jī)材料表面層中的結(jié)晶性無機(jī)材料的混合比例由與控制熱膨脹率的 關(guān)系決定，該混合比例的優(yōu)選下限為10重量％，更優(yōu)選的下限為30重量％，優(yōu)選的上限 為90重量％，更優(yōu)選的上限為70重量％。這是因?yàn)?，若結(jié)晶性無機(jī)材料的混合比例小于 10重量％，則不能充分提高發(fā)射率，導(dǎo)致高溫下的散熱性降低，并且，若混合比例大于90重 量％，則無機(jī)材料表面層與金屬基材的密合性下降。而且，無機(jī)材料表面層的厚度的優(yōu)選下限為2μπι，優(yōu)選的上限為50μπι。這時(shí)因 為，當(dāng)厚度小于2 μ m時(shí)，低溫時(shí)的絕熱性能下降，并且，當(dāng)厚度大于50 μ m時(shí)，難以在基材上形成膜。此外，對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的形狀沒有特別限定，只要是環(huán)狀體即可，優(yōu)選圖2所示 的圓筒形或橢圓筒形。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體為圖2(a)所示的圓筒形的情況下，其直徑(外徑)的優(yōu)選下限 為5mm，優(yōu)選上限為200mm。通過設(shè)定為上述范圍，能夠有效發(fā)揮散熱性能和絕熱性能。另外，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體中，優(yōu)選上述無機(jī)材料表面層在室溫下的熱導(dǎo)率為0. Iff/ mK 2ff/mK。無機(jī)材料表面層在室溫下的熱導(dǎo)率可以通過細(xì)線加熱法、熱絲法、激光閃光法等 已知的測定方法進(jìn)行測定。但是，若以保持本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的形狀的狀態(tài)進(jìn)行測定，則是對包括金屬基材的 結(jié)構(gòu)體整體的熱導(dǎo)率進(jìn)行測定，從而不能測定無機(jī)材料表面層的熱導(dǎo)率，所以需要另外制 備測定樣品。具體地說，將結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料以預(yù)定比例粉碎混合，接著，加熱 到無定形無機(jī)材料的熔點(diǎn)以上的溫度，在以無定形無機(jī)材料處于熔融的狀態(tài)下進(jìn)行混煉， 通過冷卻凝固制備固態(tài)物。將該固態(tài)物加工成適合于各測定方法的形狀，從而能夠通過已知的測定方法測定 熱導(dǎo)率。由于能夠用作結(jié)晶性無機(jī)材料的過渡金屬氧化物在室溫下的熱導(dǎo)率為0. 5W/ mK 2W/mK，能夠用作無定形無機(jī)材料的低熔點(diǎn)玻璃在室溫下的熱導(dǎo)率為0. Iff/mK 1. 2W/ mK，所以由這些結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料制備無機(jī)材料表面層時(shí)，能夠使無機(jī)材 料表面層在室溫下的熱導(dǎo)率處于0. Iff/mK 2W/mK的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體中，若無機(jī)材料表面層在室溫下的熱導(dǎo)率為0. Iff/mK 2W/mK， 則能夠顯著地降低熱量經(jīng)由無機(jī)材料表面層傳導(dǎo)到外部的速度。因此，能夠制成在低溫區(qū) 域的絕熱性極高的結(jié)構(gòu)體。以本發(fā)明的無機(jī)材料表面層的組成難以制成熱導(dǎo)率小于0. Iff/mK的無機(jī)材料表 面層，另外，若熱導(dǎo)率大于2W/mK，則低溫下的絕熱性不足。而且，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體中，優(yōu)選上述無機(jī)材料表面層在室溫下、在波長為 1 μ m 15 μ m的發(fā)射率是0. 7 0. 98。無機(jī)材料表面層的發(fā)射率可以通過對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的形成有無機(jī)材料表面層 的面進(jìn)行測定，另外，也可以采用與熱導(dǎo)率的測定相同的方式另外制備測定樣品進(jìn)行測定。 作為測定方法，可以采用已知的分光光度法進(jìn)行測定。能夠用作結(jié)晶性無機(jī)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(fā)射率是0. 75 0. 98，能夠用作無定形無機(jī)材料的低熔點(diǎn)玻璃在室溫下、在波長為1 μ m 15 μ m的發(fā)射率是0. 65 0. 96，因此，由這些結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料制備無機(jī) 材料表面層時(shí)，能夠使無機(jī)材料表面層的發(fā)射率處于0. 7 0. 98的范圍內(nèi)。波長為Iym 15 μπι的區(qū)域是所謂的近紅外區(qū)域、遠(yuǎn)紅外區(qū)域，是熱作用較大的 區(qū)域。當(dāng)無機(jī)材料表面層在該區(qū)域的發(fā)射率為0. 7 0. 98時(shí)，尤其在高溫區(qū)域能夠顯著地 增大從無機(jī)材料表面層向外部的輻射傳熱速度。因此，能夠制成在高溫區(qū)域散熱性極高的 結(jié)構(gòu)體。
若發(fā)射率小于0. 7，則無機(jī)材料表面層的散熱性不足，另外，以本發(fā)明的無機(jī)材料 表面層的組成難以制成發(fā)射率大于0. 98的無機(jī)材料表面層。此外，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體中，優(yōu)選上述基材表面的凹凸量為上述無機(jī)材料 表面層的厚度的1/60以上。另外，Rztis是根據(jù)JIS B 0601 :2001定義的十點(diǎn)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(jī)材料表面層 牢固地與基材密合，從而能夠形成即使經(jīng)過反復(fù)的升溫、降溫也不會剝離的無機(jī)材料表面層。另外，若基材表面的凹凸量為無機(jī)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(jī)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(jī) 材料表面層的表面積增大，從而使有助于輻射傳熱的面積增大，因此，能夠進(jìn)一步提高本發(fā) 明的結(jié)構(gòu)體的散熱性。接著，說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的制造方法。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的制造方法包括如下工序金屬基材的表面處理工序；混合工 序，用于將結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料進(jìn)行濕式混合以制備漿液；涂布工序，用于將 漿液涂布到金屬基材上；以及燒制工序，用于對涂布了漿液的金屬基材進(jìn)行燒制以使無機(jī) 材料覆膜固定在金屬基材上。首先，實(shí)施對金屬基材進(jìn)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(zhì)，并且，根據(jù)需要，在 金屬基材表面上形成凹凸。對于處理金屬基材上的雜質(zhì)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(jìn)行超聲波清洗等的處理方法。對于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(dú)使用，也可以合用多種方法。作為 上述形成凹凸的方法，可以采用以往使用的方法。另外，在金屬基材表面上形成凹凸的工序并不是必須的工序，可以根據(jù)情況省略。接著，進(jìn)行將結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料濕式混合的混合工序。在該工序中，分別將結(jié)晶性無機(jī)材料的粉末和無定形無機(jī)材料的粉末制成預(yù)定的 粒度、形狀等，以預(yù)定的混合比例干式混合各粉末以制備混合粉末，進(jìn)一步加水，利用球磨 機(jī)進(jìn)行濕式混合，從而制備漿液。對混合粉末與水的混合比沒有特別限定，相對于100重量份的混合粉末，優(yōu)選水 為100重量份左右。這是因?yàn)椋瑸榱送坎嫉浇饘倩纳?，需要制成適當(dāng)?shù)恼扯取Ａ硗?，根?jù) 需要，可以使用有機(jī)溶劑。接著，進(jìn)行在金屬基材上涂布漿液的涂布工序。在該工序中，在經(jīng)表面處理工序進(jìn)行了表面處理的金屬基材上涂布由混合工序制 備的漿液。對于涂布方法沒有特別限定，只要是能夠?qū){液均勻地涂布到金屬基材上的方 法即可，例如可以舉出噴涂法、轉(zhuǎn)印、刷涂等方法。接著，實(shí)施對涂布了漿液的金屬基材進(jìn)行燒制的燒制工序。在該工序中，在將經(jīng)涂布工序涂布有漿液的金屬基材進(jìn)行干燥后，通過加熱燒制 形成無機(jī)材料表面層。燒制溫度優(yōu)選為無定形無機(jī)材料的熔點(diǎn)以上的溫度，盡管燒制溫度還取決于所混合的無定形無機(jī)材料的種類，但優(yōu)選燒制溫度為700°C 1100°C左右。通過 將燒制溫度設(shè)定為無定形無機(jī)材料的熔點(diǎn)以上的溫度，能夠使金屬基材和無定形無機(jī)材料 牢固地密合，從而能夠形成對反復(fù)的升溫、降溫不產(chǎn)生剝離的無機(jī)材料表面層。實(shí)施例下面舉出實(shí)施例來更詳細(xì)地說明本發(fā)明，但本發(fā)明不受這些實(shí)施例限定。(實(shí)施例1)(制造金屬基材)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(dǎo)率(下面設(shè)為λ )為25W/mK、在室溫到500°C的 范圍內(nèi)測定的熱膨脹率(下面設(shè)為α)為10.4X10_6/°C。并且，準(zhǔn)備2個(gè)與上述圓筒相同材質(zhì)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(gè)蓋用圓盤作為底表面和上表面，并與金屬基材的兩個(gè)開口面對 合并焊接，從而將開口面封閉，形成圓柱形體。接著，如下進(jìn)行表面處理工序在乙醇溶劑中對圓柱形體進(jìn)行超聲波清洗，然后， 進(jìn)行噴砂處理，從而對圓柱形體的外表面清洗、粗糙化。對于噴砂處理，使用#600的SiC磨粒進(jìn)行10分鐘。此處，對表面處理工序后的金屬基材表面的Rztis進(jìn)行測定，結(jié)果為1. 5μπι。(形成無機(jī)材料表面層)接著，將作為結(jié)晶性無機(jī)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(jī)材料的30重量％的BaO-SW2玻璃粉末進(jìn)行干式混合以制備混合粉末， 相對于100重量份的混合粉末，加入100重量份的水，利用球磨機(jī)進(jìn)行濕式混合，從而制備 漿液。另外，將該組成的結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料粉碎混合，接著，加熱到無定 形無機(jī)材料的熔點(diǎn)以上的溫度，在使無定形無機(jī)材料熔融的狀態(tài)下進(jìn)行混煉，通過冷卻凝 固制作固態(tài)物，利用快速熱導(dǎo)率測定儀(京都電子工業(yè)制造QTM_500)測定λ。并且，利用 TMA (Thermo mechanical Analysis)裝置(Rigaku 制造:TMA 8310)在從室溫到 500°C 的范 圍測定α。將其結(jié)果示于表1。進(jìn)行如下涂布工序通過噴涂向上述圓柱形體的外表面涂布上述漿液。然后，將通過噴涂形成了涂布層的上述圓柱形體在100°C下干燥2小時(shí)，然后，實(shí) 施在空氣中于700°C加熱燒制1小時(shí)的燒制工序以形成無機(jī)材料表面層102，由此制造圓柱 形結(jié)構(gòu)體100(參照圖3)。利用分光光度計(jì)(測定裝置=Perkin Elmer制造system 200型)測定所形成的 無機(jī)材料表面層102在室溫下波長為Iym 15μπι的發(fā)射率。并且，測定所形成的無機(jī)材 料表面層102的厚度。將這些結(jié)果示于表2。(形成貫通孔)為了設(shè)置后述的陶瓷加熱器，在通過上述工序制造的圓柱形結(jié)構(gòu)體100的底面中 央部位形成長52mmX寬52mm的貫通孔。(制作評價(jià)裝置)
圖3是示意性地表示用于評價(jià)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體的性能的評價(jià)裝置的局部缺口的 立體圖。本圖中，省略結(jié)構(gòu)體的上表面和前側(cè)的側(cè)面來描述。在該評價(jià)裝置160中，在圓柱形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體內(nèi)部空間升溫。并且，在距離結(jié)構(gòu)體100的底面的內(nèi)表面IOmm的位置配置有熱電偶162，從而能夠 測定結(jié)構(gòu)體內(nèi)部空間的溫度。這些陶瓷加熱器161和熱電偶162的設(shè)置和布線通過設(shè)置于結(jié)構(gòu)體100的底面的 貫通孔來進(jìn)行，并且，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(jié)構(gòu)體100安裝設(shè)置于采用與金屬基材101相同材質(zhì)而形成的安裝支柱164 上，使結(jié)構(gòu)體100的底面的大部分不與其它部分直接接觸。使用評價(jià)裝置160評價(jià)結(jié)構(gòu)體的性能。(評價(jià)在低溫區(qū)域的絕熱性能)向陶瓷加熱器161供給2kW的電力，測定所設(shè)置的熱電偶162的指示溫度達(dá)到 500°C的升溫時(shí)間。將該結(jié)果示于表2。(評價(jià)在高溫區(qū)域的散熱性能)在向陶瓷加熱器161供給2kW電力的狀態(tài)下，測定散熱量與供給電量處于平衡且 溫度處于恒定的時(shí)刻的熱電偶162的指示溫度作為最高溫度。將該結(jié)果示于表2。(評價(jià)無機(jī)材料表面層的密合性)向陶瓷加熱器161供給電力，使結(jié)構(gòu)體內(nèi)部空間的溫度上升到800°C，然后通過自 然冷卻冷卻到室溫，將這樣的工序設(shè)為1次循環(huán)，進(jìn)行10次循環(huán)的反復(fù)試驗(yàn)，反復(fù)試驗(yàn)后目 視觀察無機(jī)材料表面層102是否從金屬基材101上剝離。將其結(jié)果示于表2。(實(shí)施例2 實(shí)施例4、實(shí)施例7、參考例1、參考例2)無定形無機(jī)材料的比例、結(jié)晶材料的種類、基材材質(zhì)分別如表1所示，使用這些材 料并采用與實(shí)施例1相同的方式制作結(jié)構(gòu)體。此處，結(jié)晶材料的比例是100%減去表1所示的無定形無機(jī)材料的比例后得到的 比例，當(dāng)結(jié)晶材料由2種材料構(gòu)成時(shí)，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(shí)施例等中，采用與實(shí)施例1相同的方式測定金屬基材和無機(jī)材料表面層的 λ和α以及無機(jī)材料表面層的發(fā)射率。將該結(jié)果示于表1。并且，在各實(shí)施例和參考例中，以如下方式進(jìn)行表面處理工序通過改變對金屬基 材進(jìn)行噴砂處理的處理時(shí)間以使表面處理后的基材表面的Rztis達(dá)到表2所示的值。而且，在各實(shí)施例和參考例中，以如下方式進(jìn)行涂布工序改變噴涂漿液的條件以 使無機(jī)材料表面層具有表2所示的厚度。在各實(shí)施例和參考例中，采用與實(shí)施例1相同的方式，對制作的各結(jié)構(gòu)體使用評 價(jià)裝置160來評價(jià)結(jié)構(gòu)體的性能。將評價(jià)結(jié)果匯總示于表2。(實(shí)施例5)在組裝成圓柱形狀之前，采用與實(shí)施例1相同的方式，對圓筒形的金屬基材進(jìn)行如下的表面處理工序在乙醇溶劑中對該金屬基材進(jìn)行超聲波清洗，之后進(jìn)行噴砂處理，從 而清洗并粗糙化金屬基材的內(nèi)表面。并且，還采用相同方式對2個(gè)蓋用圓盤的一面進(jìn)行表面處理工序。采用與實(shí)施例1相同的方式制備漿液，然后進(jìn)行如下涂布工序通過噴涂向圓筒 形的金屬基材的內(nèi)表面和蓋用圓盤的一面(進(jìn)行了噴砂處理的面)涂布該漿液。然后，采用與實(shí)施例1相同的方式，進(jìn)行燒制工序，從而形成無機(jī)材料表面層。使形成了無機(jī)材料表面層的面成為結(jié)構(gòu)體的內(nèi)表面，通過將2個(gè)蓋用圓盤與底表 面、上表面對合并與金屬基材焊接以使開口面封閉，由此制作出圓柱形結(jié)構(gòu)體。然后，采用與實(shí)施例1相同的方式，使用評價(jià)裝置160評價(jià)結(jié)構(gòu)體的性能。匯總這些條件和評價(jià)結(jié)果并示于表1和表2。(實(shí)施例6)首先，采用與實(shí)施例5相同的方式，制造內(nèi)表面形成有無機(jī)材料表面層的圓柱形 結(jié)構(gòu)體。接著，采用與實(shí)施例1相同的方式，對該圓柱形結(jié)構(gòu)體進(jìn)行表面處理，并在該圓柱 形結(jié)構(gòu)體的外表面形成無機(jī)材料表面層，從而制作出外表面和內(nèi)表面的兩面具有無機(jī)材料 表面層的結(jié)構(gòu)體。然后，采用與實(shí)施例1相同的方式，使用評價(jià)裝置160評價(jià)結(jié)構(gòu)體的性能。匯總這些條件和評價(jià)結(jié)果并示于表1和表2。(參考例3)將65重量％的石英粉末作為結(jié)晶性無機(jī)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(jī)材料進(jìn)行干式混合以制備混合粉末，除此之外，采用與實(shí)施 例1相同的方式，制作具有無機(jī)材料表面層的結(jié)構(gòu)體。然后，采用與實(shí)施例1相同的方式， 使用評價(jià)裝置160評價(jià)結(jié)構(gòu)體的性能。匯總這些條件和評價(jià)結(jié)果并示于表1和表2。(比較例1)未在金屬基材和蓋用圓盤上形成無機(jī)材料表面層，除此之外，采用與實(shí)施例1相 同的方式，制作結(jié)構(gòu)體。然后，采用與實(shí)施例1相同的方式，使用評價(jià)裝置160評價(jià)結(jié)構(gòu)體 的性能。并且，采用實(shí)施例1相同的方法測定金屬基材表面的發(fā)射率。匯總這些條件和評價(jià)結(jié)果并示于表1和表2。(比較例2)將實(shí)施例1中使用的圓筒形的金屬基材以平行于其長度方向在兩處進(jìn)行切削，制 作側(cè)面的1/4被切下的圓筒形的金屬基材。之后，將上述圓筒形的金屬基材與蓋用圓盤對合，制作側(cè)面的一部分開口的圓柱 形體，除此之外，采用與實(shí)施例1相同的方式，制作外表面具有無機(jī)材料表面層的結(jié)構(gòu)體。然后，采用與實(shí)施例1相同的方式，使用評價(jià)裝置160評價(jià)結(jié)構(gòu)體的性能。匯總這些條件和評價(jià)結(jié)果并示于表1和表2。另外，比較例2制造的結(jié)構(gòu)體為側(cè)面不封閉的形狀，所以，該結(jié)構(gòu)體是基材形狀不 為環(huán)狀體的結(jié)構(gòu)體。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)體的制造方法，該結(jié)構(gòu)體由基材和無機(jī)材料表面層構(gòu)成，所述基材由金屬 形成，所述無機(jī)材料表面層由結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料形成，所述制造方法的特 征在于，所述方法包括如下工序?qū)λ鼋饘倩牡谋砻孢M(jìn)行處理的工序；將所述結(jié)晶性無機(jī)材料和所述無定形無機(jī)材料進(jìn)行混合以制備漿液的工序；將所述漿液涂布到所述金屬基材上的工序；以及對涂布了所述漿液的所述金屬基材進(jìn)行燒制以形成所述無機(jī)材料表面層的工序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，在對所述金屬基材的表面進(jìn)行處 理的工序中，除去所述金屬基材上的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，在對所述金屬基材的表面進(jìn)行處 理的工序中，進(jìn)一步在所述金屬基材表面上形成凹凸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，用于在所述金屬基材表面上形成 凹凸的方法是噴砂處理、蝕刻處理和高溫氧化處理中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，所述基材表面的凹凸量為所述 無機(jī)材料表面層的厚度的1/60以上，所述凹凸量表示為R~IS。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，在將所述結(jié)晶性無機(jī)材 料和所述無定形無機(jī)材料進(jìn)行混合的工序中，將結(jié)晶性無機(jī)材料的粉末和無定形無機(jī)材料 的粉末進(jìn)行干式混合以制備混合粉末，將所述混合粉末進(jìn)行濕式混合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，所述結(jié)晶性無機(jī)材料由 過渡金屬氧化物形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，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。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 6任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，所述結(jié)晶性無機(jī)材料由 莫來石、Al2O3或石英形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，所述無機(jī)材料表面層 的厚度為2μπι 50μπι。
11.根據(jù)權(quán)利要求1 10任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，所述無機(jī)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。
12.根據(jù)權(quán)利要求1 11任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，所述無定形無機(jī)材料 為選自由鋇玻璃、硼玻璃、鍶玻璃、鋁硅酸鹽玻璃、鈉鋅玻璃以及鈉鋇玻璃組成的組中的至 少1種材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1 12任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，所述無機(jī)材料表面層 中的所述結(jié)晶性無機(jī)材料的混合比例為10重量％ 90重量％。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，所述無機(jī)材料表面層中的所述 結(jié)晶性無機(jī)材料的混合比例為30重量％ 90重量％。
全文摘要
本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)體的制造方法，本發(fā)明的目的是提供一種在低溫區(qū)域絕熱性高、在高溫區(qū)域散熱性高的材料。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體由基材和無機(jī)材料表面層構(gòu)成，所述基材由金屬形成，所述無機(jī)材料表面層由結(jié)晶性無機(jī)材料和無定形無機(jī)材料形成，所述結(jié)構(gòu)體的制造方法的特征在于，所述方法包括如下工序?qū)λ鼋饘倩牡谋砻孢M(jìn)行處理的工序；將所述結(jié)晶性無機(jī)材料和所述無定形無機(jī)材料進(jìn)行混合以制備漿液的工序；將所述漿液涂布到所述金屬基材上的工序；以及對涂布了所述漿液的所述金屬基材進(jìn)行燒制以形成所述無機(jī)材料表面層的工序。
文檔編號C23D5/00GK102140636SQ201110032699
公開日2011年8月3日 申請日期2007年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月12日
發(fā)明者伊藤康隆 申請人:揖斐電株式會社