本申請是申請日為2012年12月26日、申請?zhí)枮?012800645373、發(fā)明名稱為“氧化釔皮膜”的申請的分案申請。
本發(fā)明涉及氧化釔皮膜。
背景技術(shù)：
氧化釔(y2o3)皮膜在具有高介質(zhì)擊穿電壓(單位：kv)的方面具有較高的技術(shù)上的價值，例如已經(jīng)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)。
作為提高氧化釔皮膜的介質(zhì)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(xué)氣相沉積法、電子束蒸鍍法相比，噴鍍由于容易形成厚度大的皮膜，因而作為介質(zhì)擊穿電壓優(yōu)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(zhì)擊穿強度(單位：kv/mm)比氧化釔的化學(xué)氣相沉積膜的介質(zhì)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(zhì)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(zhì)擊穿，要求皮膜不僅介質(zhì)擊穿電壓高而且介質(zhì)擊穿強度也要高。
需要說明的是，皮膜的介質(zhì)擊穿電壓是指能夠施加于皮膜而不發(fā)生介質(zhì)擊穿的最高的電壓，皮膜的介質(zhì)擊穿強度是指將皮膜的介質(zhì)擊穿電壓除以皮膜的厚度而求出的值。
現(xiàn)有技術(shù)文獻
專利文獻
專利文獻1：日本特開2004-211122號公報
專利文獻2：日本特開2007-291528號公報
非專利文獻
非專利文獻1：“適于真空工藝的耐蝕膜‘氧化釔’涂層技術(shù)的開發(fā)(真空プロセス向け耐食膜「酸化イットリウム」コート技術(shù)の開発)”，[online]，2009年11月，[2011年12月28日檢索]，網(wǎng)址<url:http://www.smrj.go.jp/keiei/dbps_data/_material_/common/chushou/b_keiei/keieitech/pdf/jfetekunorisa-ti5.pdf>
非專利文獻2：c.k.campbell，“電子束蒸鍍氧化釔薄膜的各種介電性能(somedielectricpropertiesofelectron-beamevaporatedyttriumoxidethinfilms)”，固體薄膜(thinsolidfilms)，第6卷，第3版，1970年9月，p.197-202
技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明要解決的問題
因此，本發(fā)明的目的在于提供具有更高的介質(zhì)擊穿強度的氧化釔皮膜、以及提供對于形成這種氧化釔皮膜有用的噴鍍材料。
用于解決問題的方案
為了達成上述目的，本發(fā)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占的單斜晶氧化釔的比率為1％以上且30％以下。
在2.94n(300gf)的載荷下測定的皮膜的維氏硬度優(yōu)選為450以上。
皮膜的平均表面粗糙度ra優(yōu)選為2.5μm以下。
皮膜的平均厚度優(yōu)選為20μm以上。
本發(fā)明的另一個方案提供用于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(zhì)，前述氧化釔顆粒的體積平均直徑為6μm以下。
本發(fā)明的另一個方案提供含有氧化釔顆粒和分散介質(zhì)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(shè)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占的單斜晶氧化釔的比率為1％以上且30％以下。
發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供與現(xiàn)有的噴鍍皮膜相比介質(zhì)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，能夠提供對于形成這種氧化釔皮膜有用的噴鍍材料。
具體實施方式
以下，說明本發(fā)明的一個實施方式。
本實施方式的氧化釔(y2o3)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(shè)置在基材上?；目梢杂射X、鈦、鐵、它們的合金等金屬制，或者也可以由氧化鋁、氧化釔等陶瓷制。噴鍍材料可以為粉末的形態(tài)，或者也可以為漿料(即懸浮液)的形態(tài)。
形成皮膜的粉末狀的噴鍍材料包含適于處理的尺寸的氧化釔顆粒。優(yōu)選的是，粉末狀的噴鍍材料的100％由氧化釔顆粒構(gòu)成。
漿料狀的噴鍍材料是將適當(dāng)尺寸的氧化釔顆粒與水或以乙醇為代表的醇等分散介質(zhì)、優(yōu)選為水進行混合而制備的。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。氧化釔顆粒并不必須為漿料狀的噴鍍材料的主要成分。分散介質(zhì)和有機分散劑在噴鍍工藝的過程中揮發(fā)或氧化，從而在皮膜中完全或幾乎不含有。
漿料狀的噴鍍材料的漿料濃度、即固體成分含量優(yōu)選為10質(zhì)量％以上、更優(yōu)選為15質(zhì)量％以上、進一步優(yōu)選為20質(zhì)量％以上、特別優(yōu)選為30質(zhì)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。
另外，漿料狀的噴鍍材料的漿料濃度優(yōu)選為70質(zhì)量％以下、更優(yōu)選為60質(zhì)量％以下、進一步優(yōu)選為50質(zhì)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(wěn)定。
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(zhì)。但是，為了得到具有更高的介質(zhì)擊穿強度的皮膜，優(yōu)選氧化釔顆粒盡可能為高純度。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(yōu)選為98質(zhì)量％以上、更優(yōu)選為99質(zhì)量％以上、進一步優(yōu)選為99.9質(zhì)量％以上。由于會導(dǎo)致皮膜的介質(zhì)擊穿強度降低，因此優(yōu)選氧化釔顆粒中所含的鐵、鈷、鎳和鉻等金屬雜質(zhì)的量盡可能地少。作為金屬雜質(zhì)的鐵、鈷、鎳和鉻的含量的總計優(yōu)選為200ppm以下、更優(yōu)選為100ppm以下、進一步優(yōu)選為50ppm以下。另外，出于同樣的理由，優(yōu)選鈉、鉀、鈣、鎂的含量也盡可能地少。鈉和鉀的含量的總計優(yōu)選為200ppm以下、更優(yōu)選為100ppm以下、進一步優(yōu)選為50ppm以下。鈣和鎂的含量的總計優(yōu)選為200ppm以下、更優(yōu)選為100ppm以下、進一步優(yōu)選為50ppm以下。氧化釔顆粒中所含的雜質(zhì)的含量例如可以利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(icp-ms)、原子吸光光度法來測定。
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(yōu)選為6μm以下、更優(yōu)選為4μm以下、進一步優(yōu)選為2μm以下、最優(yōu)選為1.5μm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致密的皮膜。氧化釔顆粒的平均粒徑的測定例如可以利用激光衍射散射法、bet法、光散射法來進行。利用激光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制作所制造的激光衍射/散射式粒度測定儀“l(fā)a-300”來進行。
將噴鍍材料進行噴鍍的方法可以為高速氧燃料噴鍍(hvof)、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)。為了獲得更致密的皮膜，優(yōu)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(fā)，優(yōu)選烴氣體燃料。
氧化釔皮膜中的氧化釔的含量優(yōu)選為98質(zhì)量％以上、更優(yōu)選為99質(zhì)量％以上、進一步優(yōu)選為99.9質(zhì)量％以上。隨著皮膜中的氧化釔的含量變高，皮膜的介質(zhì)擊穿強度提高。
皮膜的孔隙率需要為1.5％以下、優(yōu)選為1.2％以下、更優(yōu)選為1％以下、進一步優(yōu)選為0.8％以下、特別優(yōu)選為0.6％以下。隨著孔隙率變低，皮膜的介質(zhì)擊穿強度提高。另外，還具有貫通氣孔在皮膜中形成的可能性小的優(yōu)點。在皮膜中存在貫通氣孔時，由于氣孔而局部發(fā)生微小的加熱區(qū)域的形成，較高的電場強度集中于此而產(chǎn)生嚴重的缺陷通路，其結(jié)果在皮膜發(fā)生介質(zhì)擊穿的方面存在不利。
將平均粒徑為6μm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。形成于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。
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占的單斜晶氧化釔的比率需要為1％以上、優(yōu)選為5％以上、更優(yōu)選為8％以上、進一步優(yōu)選為10％以上。另一方面，為了充分地確保具有高于單斜晶氧化釔的介質(zhì)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占的單斜晶氧化釔的比率還需要為30％以下、優(yōu)選為25％以下、更優(yōu)選為20％以下。因此，通過該比率處于上述范圍內(nèi)，會使皮膜具有良好的介質(zhì)擊穿強度和機械強度。
皮膜中的單斜晶氧化釔與立方晶氧化釔的總和中所占的單斜晶氧化釔的比率利用算式：pm(％)＝[im/(im+ic)]×100求出。上式中，pm表示皮膜中的單斜晶氧化釔與立方晶氧化釔的總和中所占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(402)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。
皮膜中的立方晶氧化釔的微晶尺寸優(yōu)選為80nm以下、更優(yōu)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(jié)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。
皮膜中的單斜晶氧化釔的微晶尺寸優(yōu)選為60nm以下、更優(yōu)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(jié)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(402)的半峰寬使用scherrer公式求出。
皮膜的電阻率優(yōu)選為1×1011ωcm以上、更優(yōu)選為5×1011ωcm以上、進一步優(yōu)選為1×1012ωcm以上。隨著皮膜的電阻率變高，電壓施加時的漏電流值變低。
在2.94n(300gf)的載荷下測定的皮膜的維氏硬度優(yōu)選為450以上、更優(yōu)選為500以上、進一步優(yōu)選為530以上。隨著維氏硬度變大，皮膜的介質(zhì)擊穿強度提高。
皮膜的平均表面粗糙度ra優(yōu)選為2.5μm以下、更優(yōu)選為2μm以下。隨著皮膜的平均表面粗糙度ra變小，具有在介電常數(shù)的測定時電極與皮膜之間的電接觸變得良好的優(yōu)點?？紫堵实偷闹旅艿钠つご嬖谄骄砻娲植诙萺a小的傾向。
皮膜的表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ優(yōu)選為0.5μm以下、更優(yōu)選為0.4μm以下。隨著表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)偏差變小，皮膜整體的介質(zhì)擊穿強度均一化。
皮膜的平均厚度優(yōu)選為20μm以上、更優(yōu)選為50μm以上、進一步優(yōu)選為100μm以上。隨著皮膜的平均厚度變大，皮膜的介質(zhì)擊穿電壓提高。
皮膜的厚度的偏差優(yōu)選為±10％以內(nèi)。
皮膜的介質(zhì)擊穿電壓優(yōu)選為2.5kv以上、更優(yōu)選為3.5kv以上、進一步優(yōu)選為4kv以上。
根據(jù)本實施方式，可獲得以下的效果。
根據(jù)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占的單斜晶氧化釔的比率設(shè)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(zhì)擊穿強度。因此，能夠提供具有較高的介質(zhì)擊穿強度的皮膜。
前述實施方式也可如下變更。
·氧化釔皮膜不限定于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(xué)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。
接著，列舉實施例和比較例進一步具體說明本發(fā)明。
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(zhǔn)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150μm的皮膜。
比較例2～4中，通過聚集和燒結(jié)準(zhǔn)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150μm的皮膜。其結(jié)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。
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50mm×75mm×5mm的板，在預(yù)先用棕色氧化鋁磨料(a#40)進行噴砂處理之后再使用。
[表1]
[表2]
[表3]
將實施例1～5和比較例1～4中使用的噴鍍材料的詳細情況及由該噴鍍材料得到的皮膜的詳細情況示于表4。
表4的“顆粒的種類”欄中示出準(zhǔn)備實施例1～5和比較例1～4的各噴鍍材料時所使用的陶瓷顆粒的種類。該欄中的“y2o3”表示使用了氧化釔顆粒，“al2o3”表示使用了氧化鋁顆粒。
表4的“顆粒的純度”欄中示出實施例1～5和比較例1～4各自所使用的陶瓷顆粒的純度、即陶瓷顆粒中的陶瓷含量。該欄中的“3n”表示99.9％的純度，“4n”表示99.99％的純度。
表4的“平均粒徑”欄中示出實施例1～5和比較例1～4各自所使用的陶瓷顆粒的平均粒徑(體積平均直徑)。
表4的“噴鍍材料的形態(tài)”欄中示出實施例1～5和比較例1～4各自所準(zhǔn)備的噴鍍材料的形態(tài)。該欄中的“漿料”表示準(zhǔn)備了漿料狀的噴鍍材料，“粉末”表示準(zhǔn)備了粉末狀的噴鍍材料。
表4的“漿料濃度”欄中，對于實施例1～5和比較例1各自所準(zhǔn)備的漿料狀的噴鍍材料，示出相對于噴鍍材料的總質(zhì)量的噴鍍材料中的固體成分含量的比率。
表4的“皮膜的形成方法”欄中示出實施例1～5和比較例1～4各自在使用噴鍍材料形成皮膜時所使用的方法。該欄中的“hvof”表示使用了高速氧燃料噴鍍，“等離子體”表示使用了常壓等離子體噴鍍。
表4的“孔隙率”欄中示出實施例1～5和比較例1、3、4中得到的皮膜的孔隙率的測定結(jié)果。孔隙率的測定使用對平均粒徑0.06μm的膠體二氧化硅進行鏡面研磨后的皮膜截面通過圖像分析法來進行。
表4的“單斜晶的比率”欄中示出根據(jù)前文說明的算式求出實施例1～5和比較例1、3中得到的氧化釔皮膜中的單斜晶氧化釔與立方晶氧化釔的總和中所占的單斜晶氧化釔的比率的結(jié)果。
表4的“立方晶氧化釔的微晶尺寸”欄中示出由實施例1～5和比較例1、3中得到的氧化釔皮膜的x射線衍射圖案中的立方晶氧化釔(222)的半峰寬求出立方晶氧化釔的微晶尺寸的結(jié)果。
表4的“單斜晶氧化釔的微晶尺寸”欄中示出由實施例1～5和比較例1、3中得到的氧化釔皮膜的x射線衍射圖案中的單斜晶氧化釔(402)的半峰寬求出單斜晶氧化釔的微晶尺寸的結(jié)果。
表4的“電阻率”欄中示出實施例1～5和比較例1、3、4中得到的皮膜的電阻率的測定結(jié)果。該測定中使用mitsubishichemicalanalytechco.,ltd.制造的電阻率儀hirestaupmcp-ht450型。作為測定條件，施加電壓為1kv、電壓施加時間為60秒，對電極使用urs探頭。
表4的“維氏硬度”欄中示出實施例1～5和比較例1、3、4中得到的皮膜的維氏硬度的測定結(jié)果。對得到的皮膜的截面使用壓頭施加2.94n(300gf)的載荷，從而得到該值。該測定中使用株式會社島津制作所制造的微小硬度測定器hmv-1。
表4的“平均表面粗糙度”欄和“表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)偏差”欄中示出實施例1～5和比較例1、3、4中得到的皮膜的平均表面粗糙度ra及其標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的測定結(jié)果。該測定中使用觸針式表面粗糙度計。
表4的“介質(zhì)擊穿電壓”欄中示出實施例1～5和比較例1、3、4中得到的皮膜的介質(zhì)擊穿電壓的測定結(jié)果。該測定根據(jù)與國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)iec60243相對應(yīng)的日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)jisc2110-1中記載的方法來進行。更具體而言，在溫度20℃和相對濕度50％下使用菊水電子工業(yè)株式會社制造的耐電壓/絕緣電阻測試儀tos9201。作為測定條件，將電壓掃描速度設(shè)為200v/秒。對電極使用具有25mm直徑的黃銅制的圓筒。
表4的“介質(zhì)擊穿強度”欄中示出實施例1～5和比較例1、3、4中得到的皮膜的介質(zhì)擊穿強度的測定結(jié)果。該測定根據(jù)與iec60243相對應(yīng)的jisc2110-1中記載的方法來進行。更具體而言，通過將利用上述方法測定的各皮膜的介質(zhì)擊穿電壓的值除以皮膜的厚度，從而求出介質(zhì)擊穿強度。
[表4]
如表4所示，實施例1～5中得到的皮膜的介質(zhì)擊穿強度為15kv/mm以上，是實用上令人滿意的水平。另一方面，比較例1、3、4中得到的皮膜的介質(zhì)擊穿強度低于15kv/mm，不是實用上令人滿意的水平。