JP5662314B2 - Protective coating and method - Google Patents
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Description
本願は、「ガラス供給システムの内部パッシベーション(INTERNAL PASSIVATION OF GLASS DELIVERY SYSTEMS)」という発明の名称で2008年8月29日に出願した米国仮特許出願第61/190488号の優先権を主張し、その内容は、参照することによってその全体を信頼され、本明細書に取り込まれる。 This application claims the priority of US Provisional Patent Application No. 61/190488, filed Aug. 29, 2008, under the title of “INTERNAL PASSIVATION OF GLASS DELIVERY SYSTEMS”. The contents are trusted by reference in their entirety and incorporated herein.
本開示は、金属の保護コーティングおよび方法に関する。特に、本発明は、貴金属のための酸化物保護コーティングおよび、それらのコーティングの形成方法に関する。本発明は、例えば、酸化雰囲気下、高い動作温度におけるガラス供給システムの白金成分のパッシベーションおよび保護に有用である。 The present disclosure relates to metallic protective coatings and methods. In particular, the present invention relates to oxide protective coatings for noble metals and methods for forming those coatings. The present invention is useful, for example, for passivation and protection of platinum components in glass supply systems at high operating temperatures in an oxidizing atmosphere.
例えば、高温が重要なプロセス成分の分解を引き起こすか、または加速させてしまいかねないような厳しい熱環境で行われるプロセスの間に生じうる、成分損傷の軽減を目的とした方法および組成物の開発が、近年、注目を集めている。これらのプロセス成分への損傷は、費用が嵩み、それに続いて、他の潜在的に不利なプロセス問題を生じうる。 Development of methods and compositions aimed at reducing component damage that can occur during processes performed in harsh thermal environments, for example, where high temperatures can cause or accelerate the degradation of critical process components However, it has attracted attention in recent years. Damage to these process components can be expensive and subsequently cause other potentially disadvantageous process problems.
厳しい熱環境で行われる典型的なプロセスとして、例えば、特許文献1(Dockerty)および特許文献2(Dockerty)に記載されるオーバーフロー・ダウンドロー・フュージョン法などのガラス製造方法がある。多くのガラス製造装置は、貴金属などの耐久性の不活性材料でできているが、それでもなお、高いプロセス動作温度は、成分が酸化および熱応力に晒される厳しい環境を生じさせうる。例えば電子ディスプレーのためのガラスは、貴金属の供給、保持、および形成装置を用いた加工を行うことができる。このようなガラス加工技術に用いられる温度は、貴金属部分のむき出しの表面を酸化するのに十分に高く、順に還元されて金属粒子を形成しうる、揮発性の貴金属酸化物を生成する。還元金属粒子は、このような方法で生産されたガラスに、汚染物質の内包物を形成する場合がある。特に、非常に高いガラス品質(滑らかさ、均質性など)が要求される半導体用途では、このような汚染物質に対する耐性は低い場合がある。 As a typical process performed in a severe thermal environment, there is a glass manufacturing method such as an overflow downdraw fusion method described in Patent Document 1 (Dockerty) and Patent Document 2 (Dockerty). Many glass manufacturing equipment is made of durable inert materials such as precious metals, yet high process operating temperatures can still create harsh environments where components are exposed to oxidation and thermal stresses. For example, glass for electronic displays can be processed using precious metal supply, retention, and forming equipment. The temperature used in such glass processing techniques is high enough to oxidize the bare surface of the noble metal portion, producing a volatile noble metal oxide that can be reduced in sequence to form metal particles. The reduced metal particles may form inclusions of contaminants in the glass produced by such a method. Especially in semiconductor applications where very high glass quality (smoothness, homogeneity, etc.) is required, the resistance to such contaminants may be low.
従来のガラス製造法および他の方法に関連する前述の問題および他の欠点に対処することが必要とされている。本開示の組成物および方法は、これらの要求および他の要求を満たすものである。 There is a need to address the aforementioned problems and other drawbacks associated with conventional glass manufacturing methods and other methods. The compositions and methods of the present disclosure meet these and other needs.
本発明の幾つかの態様が本明細書に開示される。態様は、互いに重複しても、重複しなくてもよいことが理解されるべきである。よって、1つの態様の一部は、別の態様の範囲に含まれる場合があり、逆もまた同様である。 Several aspects of the invention are disclosed herein. It should be understood that aspects may or may not overlap each other. Thus, some aspects may be included within the scope of another aspect, and vice versa.
各態様は、1つ以上の実施の形態によって例証され、これは、同様に、1つ以上の特定の実施の形態を含みうる。実施の形態は、互いに重複しても、重複しなくてもよいことが理解されるべきである。よって、1つの実施の形態の一部、またはそれらの特定の実施の形態は、別の実施の形態、またはそれらの特定の実施の形態の範囲内に含まれても含まれなくてもよく、逆もまた同様である。 Each aspect is illustrated by one or more embodiments, which can similarly include one or more specific embodiments. It should be understood that the embodiments may or may not overlap each other. Thus, a portion of one embodiment, or a particular embodiment thereof, may or may not be included within the scope of another embodiment, or those particular embodiments, The reverse is also true.
本発明の第1の態様は、
(i)第1の金属を含む第1の表面を有する第1の層と、
(ii)前記第1の層の第1の表面に直接結合する第2の金属の酸化物を含み、前記第1の層の第1の表面の少なくとも一部を被覆する、第2の層と、
を備えた装置であって、ここで:
(A)前記第1の層と前記第2の層との接触面が、実質的に高密度であり、かつ、不規則なトポグラフィーを有し、
(B)前記第2の金属が、高温において、前記第1の金属の第1の表面に堆積する際に、前記第2の金属が、前記第1の金属と合金を形成する能力を有する、
装置に関する。
The first aspect of the present invention is:
(I) a first layer having a first surface comprising a first metal;
(Ii) a second layer comprising an oxide of a second metal that directly bonds to the first surface of the first layer and covering at least a portion of the first surface of the first layer; ,
A device with: where:
(A) the contact surface between the first layer and the second layer is substantially dense and has an irregular topography;
(B) When the second metal is deposited on the first surface of the first metal at a high temperature, the second metal has an ability to form an alloy with the first metal.
Relates to the device.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、(C)第2の金属と、不活性基板によって支持された第2の層と実質的に等しい厚さを有する第1の金属との混合物からなる金属膜の主表面の一方を、1000℃から第1の金属の融解温度までの範囲の温度で、十分な時間、空気に曝露させる場合に、前記金属膜が、完全に酸化されて、前記不活性基板上に高密度の酸化物膜を形成することができる。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, (C) a second metal and a first metal having a thickness substantially equal to the second layer supported by the inert substrate; When one of the main surfaces of a metal film made of a mixture of the above is exposed to air at a temperature ranging from 1000 ° C. to the melting temperature of the first metal for a sufficient time, the metal film is completely oxidized. Thus, a high-density oxide film can be formed on the inert substrate.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、第1の金属は貴金属を含み、第2の金属はAl、ZrおよびSiのうち少なくとも1つを含む。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the first metal comprises a noble metal and the second metal comprises at least one of Al, Zr, and Si.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、前記第1の層はPtを含み、前記第2の層はAl2O3から本質的になる。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the first layer comprises Pt and the second layer consists essentially of Al 2 O 3 .
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、前記第1の層と前記第2の層との接触面は、少なくとも1.50のコンボリューション指数を有し、ある特定の実施の形態では少なくとも1.55であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.60であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.65であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.70であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.75である。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the interface between the first layer and the second layer has a convolution index of at least 1.50, At least 1.55 in form, at least 1.60 in certain embodiments, at least 1.65 in certain embodiments, and at least 1.70 in certain embodiments In certain embodiments, it is at least 1.75.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、第2の層は、約5μm〜約80μmの厚さを有し、ある特定の実施の形態では約10μm〜約70μmであり、ある特定の他の実施の形態では約20μm〜約60μmであり、ある特定の実施の形態では約20μm〜約50μmであり、ある特定の他の実施の形態では約25μm〜約45μmであり、ある特定の他の実施の形態では約30μm〜約40μmである。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the second layer has a thickness of about 5 μm to about 80 μm, and in certain embodiments is about 10 μm to about 70 μm, and In certain other embodiments from about 20 μm to about 60 μm, in certain specific embodiments from about 20 μm to about 50 μm, in certain other embodiments from about 25 μm to about 45 μm, In other embodiments, it is about 30 μm to about 40 μm.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、装置は、溶融ガラス供給システムの構成要素である。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the apparatus is a component of a molten glass supply system.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、装置は、ガラス溶融システムの微細管である。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the apparatus is a microtube of a glass melting system.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、装置は、溶融ガラスがせん断応力に晒される撹拌チャンバである。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the apparatus is a stirred chamber in which the molten glass is subjected to shear stress.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、装置は、撹拌チャンバの被覆である。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the apparatus is a coating of a stirring chamber.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、装置は、電力を伝達するための電気フランジなどのフランジである。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the device is a flange, such as an electrical flange, for transmitting power.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、第2の層は、さもなければO2含有雰囲気に曝露される、装置の曝露表面の本質的にすべての領域を被覆する。あるさらに具体的な実施の形態では、装置の外表面は、第2の層で被覆される。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the second layer covers essentially all areas of the exposed surface of the device that would otherwise be exposed to an O 2 containing atmosphere. In certain more specific embodiments, the outer surface of the device is coated with a second layer.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、第2の層は、PtO2などの第1の金属の酸化物に対し、実質的に不透過性である。 In a first certain embodiments of aspects of the present invention, the second layer, for the first oxide of a metal such as PtO 2, which is substantially impermeable.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、第2の層は、実質的にO2不透過性である。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the second layer is substantially O 2 impermeable.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、第2の層は、金属状態にある第2の金属を実質的に含まない。 In certain embodiments of the first aspect of the invention, the second layer is substantially free of the second metal in the metallic state.
本発明の第1の態様のある特定の実施の形態では、第2の層および第1の層は、それらの接触面において、インターロック特性を形成する。 In certain embodiments of the first aspect of the present invention, the second layer and the first layer form interlocking characteristics at their contact surfaces.
本発明の第2の態様は、酸化雰囲気に曝露される際に、高温において、装置における第1の金属を含む第1の層の第1の表面を酸化から保護する方法に関し、
(a)前記第1の金属の第1の表面の少なくとも一部に、第2の金属を含む前駆体層を提供し、ここで、前記第2の金属が、前記前駆体層を提供する条件下で、前記第1の金属と合金を形成する能力を有し、
(b)前記前駆体層を高温において酸化雰囲気に曝露することにより、前記第2の金属の酸化物を含む第2の層を形成する、
各工程を有してなる。
A second aspect of the present invention relates to a method for protecting a first surface of a first layer comprising a first metal in a device from oxidation at elevated temperatures when exposed to an oxidizing atmosphere,
(A) providing a precursor layer containing a second metal on at least a portion of the first surface of the first metal, wherein the second metal provides the precursor layer; Under the ability to form an alloy with the first metal,
(B) forming a second layer containing an oxide of the second metal by exposing the precursor layer to an oxidizing atmosphere at a high temperature;
It has each process.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、第1の金属はPtを含む。 In certain embodiments of the second aspect of the invention, the first metal comprises Pt.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、第1の金属はPtを含み、第2の金属は、Al、SiおよびZrのうち少なくとも1つを含む。 In certain embodiments of the second aspect of the present invention, the first metal comprises Pt and the second metal comprises at least one of Al, Si and Zr.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(a)において、前駆体層は、約7μm〜約120μmの厚さを有し、ある特定の実施の形態では約10μm〜約100μmであり、ある特定の他の実施の形態では約15μm〜約80μmであり、ある特定の他の実施の形態では約20μm〜約60μmであり、ある特定の実施の形態では約20μm〜約50μmであり、ある特定の他の実施の形態では約25μm〜約45μmであり、ある特定の他の実施の形態では約30μm〜約40μmである。 In certain embodiments of the second aspect of the invention, in step (a), the precursor layer has a thickness of about 7 μm to about 120 μm, and in certain embodiments about 10 μm to about 120 μm. 100 μm, in certain other embodiments from about 15 μm to about 80 μm, in certain other embodiments from about 20 μm to about 60 μm, and in certain specific embodiments from about 20 μm to about 50 μm. In certain other embodiments from about 25 μm to about 45 μm, and in certain other embodiments from about 30 μm to about 40 μm.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(b)の終了時に、前記第1の層と前記第2の層との接触面は、実質的に高密度であり、かつ、不規則なトポグラフィーを有する。 In certain embodiments of the second aspect of the present invention, at the end of step (b), the contact surface of the first layer and the second layer is substantially dense, and , Have irregular topography.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(b)において、第2の層は、第1の層と第2の層との接触面が、少なくとも1.50のコンボリューション指数を有するように形成され、ある特定の実施の形態では少なくとも1.55であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.60であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.65であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.70であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.75である。 In certain embodiments of the second aspect of the present invention, in step (b), the second layer is a convolution wherein the contact surface between the first layer and the second layer is at least 1.50. Formed with an index, in certain embodiments at least 1.55, in certain embodiments at least 1.60, in certain embodiments at least 1.65, In certain embodiments it is at least 1.70 and in certain embodiments it is at least 1.75.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(a)は、CVD、パック・セメンテーション、スラリー・コーティング、スパッタリング、電気めっきなどのうち、少なくとも1つを含む。 In certain embodiments of the second aspect of the present invention, step (a) includes at least one of CVD, pack cementation, slurry coating, sputtering, electroplating, and the like.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(b)は、予熱段階で行われる。 In certain embodiments of the second aspect of the present invention, step (b) is performed in a preheating stage.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、装置が動作システムに組み込まれる場合には、工程(b)は、その場(in-situ)で行われる。さらに具体的な実施の形態では、動作システムは、ガラス溶融および/または供給システムである。 In certain embodiments of the second aspect of the invention, step (b) is performed in-situ when the device is incorporated into an operating system. In a more specific embodiment, the operating system is a glass melting and / or feeding system.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(b)の終了時に、第2の層は、約5μm〜約80μmの厚さを有し、ある特定の実施の形態では約10μm〜約70μmであり、ある特定の他の実施の形態では約20μm〜約60μmであり、ある特定の実施の形態では約20μm〜約50μmであり、ある特定の他の実施の形態では約25μm〜約45μmであり、ある特定の他の実施の形態では約30μm〜約40μmである。本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(a)において、提供される前駆体層は、本質的に、第1の金属および第2の金属の混合物からなる。 In certain embodiments of the second aspect of the invention, at the end of step (b), the second layer has a thickness of about 5 μm to about 80 μm, and in certain embodiments about 10 μm to about 70 μm, in certain other embodiments from about 20 μm to about 60 μm, in certain specific embodiments from about 20 μm to about 50 μm, and in certain other embodiments, about 25 μm. To about 45 μm, and in certain other embodiments from about 30 μm to about 40 μm. In certain embodiments of the second aspect of the present invention, in step (a), the provided precursor layer consists essentially of a mixture of a first metal and a second metal.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(b)において、高温は、1000℃から第1の金属の融解温度の範囲である。 In certain embodiments of the second aspect of the present invention, in step (b), the elevated temperature is in the range of 1000 ° C. to the melting temperature of the first metal.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(b)の終了時に、高温は、1000℃から前駆体層の融解温度の範囲である。 In certain embodiments of the second aspect of the invention, at the end of step (b), the elevated temperature ranges from 1000 ° C. to the melting temperature of the precursor layer.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(b)において、前駆体層における第2の金属は、それらの酸化物に完全に転換される。 In certain embodiments of the second aspect of the present invention, in step (b), the second metal in the precursor layer is completely converted to their oxides.
本発明の第2の態様のある特定の実施の形態では、工程(b)において、前駆体層は、溶融した第2の金属が第1の金属上を著しく流れることなく、第2の金属の酸化が生じるように、ある温度上昇速度で、高温に至るまで加熱される。 In certain embodiments of the second aspect of the present invention, in step (b), the precursor layer is formed of the second metal without the molten second metal flowing significantly over the first metal. It is heated to a high temperature at a certain rate of temperature rise so that oxidation occurs.
本発明の第3の態様は、先に概略的に説明し、以下にさらに詳細に説明する本発明に従った装置を使用することによる、板ガラスの製造方法に関する。 The third aspect of the present invention relates to a method for producing sheet glass by using an apparatus according to the present invention as outlined above and described in further detail below.
本発明の第3の態様のある特定の実施の形態では、装置は、撹拌チャンバ、極細管(finer)、フランジ、または接続管を備える。 In certain embodiments of the third aspect of the invention, the apparatus comprises a stirring chamber, a finer, a flange, or a connecting tube.
本発明の1つ以上の態様の1つ以上の実施の形態は、次の利点の1つ以上を有する。第1に、金属構造物の外表面に高密度の耐熱性の保護コーティングを形成して、有害な酸化から保護することができる。第2に、複雑な形状を有する表面にコーティングを形成することができる。第3に、比較的低費用でコーティングを形成することができる。第4に、コーティングは、第1の金属層と第2の酸化物保護層の間に高い界面結合強度を有しうる。 One or more embodiments of one or more aspects of the present invention have one or more of the following advantages. First , a dense heat-resistant protective coating can be formed on the outer surface of the metal structure to protect it from harmful oxidation. Second, a coating can be formed on a surface having a complex shape. Third, the coating can be formed at a relatively low cost. Fourth, the coating can have a high interfacial bond strength between the first metal layer and the second oxide protective layer.
本開示の追加の実施の形態は、一部には、詳細な説明および添付の特許請求の範囲に記載され、一部には、詳細な説明から導かれ、または、本開示の実施によって理解できよう。前述の概要および以下の詳細な説明は、典型的かつ単に説明のためのものであって、開示する、および/または、特許請求の範囲に記載する本発明を制限しないことが理解されるべきである。 Additional embodiments of the present disclosure are set forth in part in the detailed description and appended claims, and in part are derived from the detailed description, or can be understood by practice of the disclosure. Like. It should be understood that the foregoing summary and the following detailed description are exemplary and exemplary only and are not restrictive of the invention disclosed and / or recited in the claims. is there.
本明細書に取り込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本開示の特定の例を示すものであり、解説と一緒に、本開示の原理を、限定することなく、説明する役割をする。類似の参照番号は、図面全体を通して、同一の要素を表している。 The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate certain examples of the present disclosure, and together with the description, serve to illustrate, without limitation, the principles of the present disclosure. To do. Similar reference numbers refer to the same elements throughout the figures.
本開示の次の記述は、現在知られている最良の実施の形態における本発明の可能な教示として提供される。この目的を達成するため、当業者は、本開示の有益な結果を得つつ、本明細書に記載される開示のさまざまな実施の形態に対し、多くの変更をなしうることを認識および理解するであろう。本開示の望ましい利益の一部は、他の特徴を利用することなく、本開示の特徴の一部を選択することによって得ることができることも、明らかであろう。したがって、当業者は、本開示に対し多くの変更および適合が可能であり、特定の状況下ではそれが望ましくさえあり、本開示の一部であることを理解するであろう。よって、以下の説明は、本開示の原理の実例として提供され、それらに限定されない。 The following description of the present disclosure is provided as a possible teaching of the present invention in its best known embodiment. To accomplish this goal, those skilled in the art will recognize and understand that many changes can be made to the various embodiments of the disclosure described herein, while obtaining the beneficial results of the present disclosure. Will. It will also be apparent that some of the desired benefits of the present disclosure can be obtained by selecting some of the features of the present disclosure without utilizing other features. Accordingly, those skilled in the art will appreciate that many modifications and adaptations to the present disclosure are possible and that even certain circumstances are desirable and are part of the present disclosure. Accordingly, the following description is provided as illustrative of the principles of the present disclosure and not in limitation thereof.
本明細書および添付の特許請求の範囲では、多くの用語について言及されるが、それらは次の意味を有するように定義されるべきである:
範囲は、本明細書では、「約」1つの特定の値から、および/または「約」別の特定の値までとして表される。このように範囲が表される場合、別の例には、1つの特定の値から、および/または、別の特定の値までが含まれる。同様に、先行詞「約」を用いて、値が近似値として表現される場合、その特定の値が別の実施の形態を形成することが理解されよう。さらには、各範囲の終点が、別の終点と関係する場合、及び、別の終点とは独立している場合の両方において、重要であるということも理解されよう。
In this specification and in the claims that follow, reference will be made to a number of terms that shall be defined to have the following meanings:
Ranges are expressed herein as from “about” one particular value and / or to “about” another particular value. When ranges are expressed in this way, another example includes from one particular value and / or to another particular value. Similarly, when a value is expressed as an approximation using the antecedent “about,” it will be understood that that particular value forms another embodiment. It will be further understood that the end point of each range is important both when it is related to another end point and independent of the other end point.
例えば、特定の金属成分が開示され、論じられ、かつ、その金属成分に対してなされうる多くの変更について論じられる場合、特に明記されない限り、その金属成分および可能な変更の個々及びすべての組合せ及び順列が明確に意図されている。したがって、金属成分の種類A、B、Cが開示されると同時に、金属成分の種類D、E、Fが開示され、また、A−Dを含む金属成分の組合せ例、あるいは例えば金属合金が開示されており、各々については個々に列挙されていない場合でも、各々が個別に、及び集合的に意図された意味の組合せ、A−E、A−F、B−D、B−E、B−F、C−D、C−E、およびC−Fが開示されているとみなされる。同様に、これらの任意の部分集合または組合せについても、開示されている。したがって、例えば、A−E、B−F、およびC−Eの下位群は開示されているとみなされる。この概念は、限定はしないが、開示される組成物の製造及び使用方法における工程を含む、本願のすべての態様に適用される。したがって、行われうるさまざまな付加的工程が存在する場合、これらの付加的工程の各々が、開示される方法についての任意の特定の実施の形態で、または、実施の形態を組み合わせて行うことができるものと理解されたい。 For example, if a particular metal component is disclosed, discussed, and discussed many changes that can be made to that metal component, unless otherwise specified, individual and all combinations of that metal component and possible changes and Permutations are clearly intended. Accordingly, the types A, B, and C of the metal component are disclosed, and at the same time, the types D, E, and F of the metal component are disclosed. Each of which is individually and collectively intended meaning combinations, A-E, A-F, B-D, B-E, B-, even though each is not individually listed. F, CD, CE, and C-F are considered disclosed. Similarly, any subset or combination of these is also disclosed. Thus, for example, the subgroups of AE, BF, and CE are considered disclosed. This concept applies to all aspects of this application including, but not limited to, steps in methods of making and using the disclosed compositions. Thus, where there are various additional steps that can be performed, each of these additional steps can be performed in any particular embodiment or combination of embodiments of the disclosed methods. I want you to understand what I can do.
本明細書では、成分の「重量%」または「重量パーセント」または「重量によるパーセント」とは、明確にそれに反する記述がない限り、百分率で表された成分を含む組成物の、全重量に対する成分の重量の比のことをいう。 As used herein, “% by weight” or “percent by weight” or “percent by weight” refers to ingredients relative to the total weight of a composition containing the ingredients expressed as a percentage, unless expressly stated to the contrary. It means the ratio of weight.
本明細書では「コンボリューション指数」という用語は、材料の第1の層と材料の第2の層の間の接触面のトポグラフィーを説明する。コンボリューション指数(CI)は、次のように定義される:
CI = Lc/Ls
ここで、Lcは、約1μmの解像度スケールで測定した、材料の第1の層の中心平面に実質的に垂直な面で接触面をカットすることによって得られる、接触面上の2点を結ぶ曲線部分の長さであり;Lsは同一の2点を結ぶ直線部分の長さである。コンボリューション指数の測定のプロトコルについては、以下に詳細に説明する。よって、完璧に平らな接触面はCI=1となり、CI値が高くなると、接触面のトポグラフィーは、より不規則になる。測定の解像度は、最終的なCI値に影響を与える可能性があるため、本願では、Lcは約1μmの解像度スケールで測定することを理解されたい。「不規則なトポグラフィー」とは、接触面が少なくとも1.48のコンボリューション指数を有することを意味する。CI値が高くなると、第1の層と第2の層の接触面積が大きくなり、したがって、第1の層と第2の層の接着がより強力になる。
As used herein, the term “convolution index” describes the topography of the interface between a first layer of material and a second layer of material. The convolution index (CI) is defined as follows:
CI = Lc / Ls
Here, Lc connects two points on the contact surface, obtained by cutting the contact surface at a plane substantially perpendicular to the central plane of the first layer of material, measured at a resolution scale of about 1 μm. Ls is the length of the straight line connecting the same two points. The protocol for measuring the convolution index will be described in detail below. Thus, a perfectly flat contact surface has CI = 1, and as the CI value increases, the topography of the contact surface becomes more irregular. In this application, it should be understood that Lc is measured on a resolution scale of about 1 μm, since the resolution of the measurement can affect the final CI value. “Random topography” means that the contact surface has a convolution index of at least 1.48. As the CI value increases, the contact area between the first layer and the second layer increases, and therefore the adhesion between the first layer and the second layer becomes stronger.
本明細書では、実質的に高密度の接触面とは、1μmの解像度スケールで観察した場合に、実質的に空隙を含まない接触面を意味する。 In the present specification, a substantially high-density contact surface means a contact surface that substantially does not include voids when observed at a resolution scale of 1 μm.
I.本発明の装置
先に簡単に説明したように、本発明の装置は、
(i)第1の表面を有する第1の金属を含む第1の層と、
(ii)前記第1の層の第1の表面に直接結合する第2の金属の酸化物を含み、前記第1の層の第1の表面の少なくとも一部を被覆する、第2の層と、
を備え、ここで:
(A)前記第1の層と前記第2の層との接触面が、実質的に高密度であり、かつ、不規則なトポグラフィーを有し、
(B)前記第2の金属が、高温において、前記第1の金属の第1の表面に堆積する際に、前記第2の金属が、前記第1の金属と合金を形成する能力を有する。ある特定の実施の形態では、第1の金属および第2の金属は、さらに、次の条件を満たす:
(C)第2の金属を含む金属膜の主表面の1つと、不活性基板によって支持された第2の層と実質的に等しい厚さを有する第1の金属とが、1000℃から前記第1の金属の融点の間の高温において空気に曝露される場合、前記金属膜における第2の金属は、実質的に完全に酸化されて、前記不活性基板上に高密度の酸化物膜を形成することができる。
I. As briefly described above, the device of the present invention is
(I) a first layer comprising a first metal having a first surface;
(Ii) a second layer comprising an oxide of a second metal that directly bonds to the first surface of the first layer and covering at least a portion of the first surface of the first layer; ,
Where:
(A) the contact surface between the first layer and the second layer is substantially dense and has an irregular topography;
(B) When the second metal is deposited on the first surface of the first metal at a high temperature, the second metal has an ability to form an alloy with the first metal. In certain embodiments, the first metal and the second metal further satisfy the following condition:
(C) one of the main surfaces of the metal film containing the second metal and the first metal having a thickness substantially equal to the second layer supported by the inert substrate from 1000 ° C. When exposed to air at high temperatures between the melting points of one metal, the second metal in the metal film is substantially completely oxidized to form a dense oxide film on the inert substrate. can do.
本発明の装置は、独立型の装置または大規模システムの一部でありうる。よって、例えば装置は、流体または反応媒体を入れるための容器でありうる。上記の2つの層に加えて、装置は、第1または第2の層に隣接した追加の層を含みうる。例えば、装置は、第2の層の上に隣接して、第2の層の少なくとも一部を被覆する第3の層を備えていて差し支えない。別の例では、装置は、さらに、第1の層の第2の表面の上に隣接して、第1の層の少なくとも第2の表面を被覆する第4の層を含んでいてもよい。装置は、第1および第2の層とは別に、他の機能的成分をさらに含みうる。 The device of the present invention can be a stand-alone device or part of a larger system. Thus, for example, the device can be a container for containing a fluid or reaction medium. In addition to the two layers described above, the device may include additional layers adjacent to the first or second layer. For example, the device can include a third layer adjacent to the second layer and covering at least a portion of the second layer. In another example, the device may further include a fourth layer covering at least the second surface of the first layer adjacent to the second surface of the first layer. The device can further include other functional components apart from the first and second layers.
1つの実施の形態では、本発明の装置は、ガラス溶融物などの高温の流体を運ぶための導管を備えており、この導管は、第2の金属の酸化物の第2の層で被覆された第1の金属で作られた壁を備える。このような導管は、例えば、極細管(finer)、ガラスの溶融および供給システムの異なるステーション間の接続管などでありうる。別の実施の形態では、本発明の装置は、ガラス溶融物などの高温流体が攪拌および均質化される容器を備える。 In one embodiment, the apparatus of the present invention comprises a conduit for carrying a hot fluid, such as a glass melt, which is coated with a second layer of a second metal oxide. A wall made of a first metal. Such a conduit can be, for example, a finer, a glass melting and connecting tube between different stations of the feeding system. In another embodiment, the apparatus of the present invention comprises a vessel in which a hot fluid such as a glass melt is agitated and homogenized.
例えば上述のようなガラス流体を取り扱う装置などの装置が高温において動作するように適合された実施の形態では、第1の金属は、貴金属を有利に含む。貴金属は、酸化に対する高温抵抗、およびガラス流体などの材料による浸食について知られている。よって、第1の層の第1の表面の反対側は、装置が動作できるように設計されており、本発明の装置の第1の層は、高温流体との接触が可能でありうる。例えば、装置にガラス溶融物を取り扱うための極細管(finer)が備わっている場合、極細管の壁は、PtまたはPt−Rh合金で構成されて差し支えなく、その内表面は、その通常動作の間に、ガラス溶融物を含むことができ、外表面はAl2O3コーティングで被覆されている。よって、第1の層は、単一の金属、または複数の金属の組合せで構成されうる。 In embodiments in which a device such as the glass fluid handling device as described above is adapted to operate at high temperatures, the first metal advantageously comprises a noble metal. Precious metals are known for high temperature resistance to oxidation and erosion by materials such as glass fluids. Thus, the opposite side of the first surface of the first layer is designed to allow the device to operate, and the first layer of the device of the present invention may be capable of contacting a hot fluid. For example, if the device is equipped with a finer for handling glass melt, the wall of the microtube can be composed of Pt or Pt-Rh alloy, and its inner surface is in its normal operation. In between, a glass melt can be included and the outer surface is coated with an Al 2 O 3 coating. Thus, the first layer can be composed of a single metal or a combination of multiple metals.
しかしながら、貴金属は通常は非常に高価であり、したがって、第1の層は可能な限り薄くなるように設計される。加えて、PtおよびRhなどの貴金属であっても、500℃より高い温度では、とりわけ、次のメカニズムによって、酸化の影響を受けやすいことが知られている:
Pt(固体)+ O2(気体)←→ PtO2(気体) (1)
Rh(固体)+ O2(気体)←→ RhO2(気体) (2)
酸化は、その後のPtO2ガスの解離および、比較的低温の表面上での微粒子Ptの凝縮を原因として、金属の損失、金属壁の薄層化、およびガラス溶融物中のPt内包物を生じさせるが、これらはすべて、非常に好ましくない。本発明の装置における第2の金属の酸化物の第2の層は、装置が暴露される雰囲気からのO2の拡散を抑制する働きをし、それによって、例えば1500℃を超えるであろうガラス極細管の通常の動作温度などの高温においても、上記反応(1)を抑制することができる。
However, noble metals are usually very expensive and therefore the first layer is designed to be as thin as possible. In addition, even noble metals such as Pt and Rh are known to be susceptible to oxidation, especially at temperatures above 500 ° C., by the following mechanism:
Pt (solid) + O 2 (gas) ← → PtO 2 (gas) (1)
Rh (solid) + O 2 (gas) ← → RhO 2 (gas) (2)
Oxidation results in metal loss, metal wall thinning, and Pt inclusions in the glass melt due to subsequent dissociation of PtO 2 gas and condensation of particulate Pt on relatively cool surfaces. All of these are highly undesirable. The second layer of oxide of the second metal in the device of the present invention serves to suppress the diffusion of O 2 from the atmosphere to which the device is exposed, thereby increasing the glass, for example above 1500 ° C. The reaction (1) can be suppressed even at a high temperature such as the normal operating temperature of the microtubule.
両方の金属が500℃を超えるような高温において接触できる場合には、第2の金属は、金属状態にあるときには、金属状態にある第1の金属と合金を形成することができる。合金化能力は、本発明の装置の第1の層と第2の層との、複雑な入り組んだ接触面の形成を可能にする。合金は、上述のように、さまざまなモル百分率における2種類の金属の混合物または組合せでありうることに留意すべきである。実際に、第1の金属および第2の金属は、所定の合金化条件下で、多様な種類の合金を形成しうる。例えば、第1の金属であろうPtは、2種類の金属が互いに接触可能な800℃などの高温において、第2の金属であろうAlと、PtxAlyで表されるさまざまな組成で合金を形成することができる。さらには、上述の通り、第1の層は複数の金属の組合せ(例えばPt−Rh合金など)を含みうる。このような事例では、第1の金属(例えばPt)に加えて、第1の層に含まれる他の金属も、同様に高温において、第2の金属と合金を形成する能力を有しうるが、本発明ではそのように機能することは必要とされていない。 The second metal can form an alloy with the first metal in the metallic state when both metals are in contact at high temperatures, such as above 500 ° C., when in the metallic state. The alloying capability allows the formation of complex and intricate contact surfaces between the first and second layers of the device of the present invention. It should be noted that the alloy can be a mixture or combination of two metals in various molar percentages, as described above. Indeed, the first metal and the second metal can form various types of alloys under predetermined alloying conditions. For example, it may first metal Pt is at high temperature, such as two metals are contactable 800 ° C. together with Al will second metal, in various composition represented by Pt x Al y An alloy can be formed. Furthermore, as described above, the first layer may include a combination of a plurality of metals (eg, a Pt—Rh alloy). In such cases, in addition to the first metal (eg, Pt), other metals contained in the first layer may also have the ability to form an alloy with the second metal at high temperatures. The present invention is not required to function as such.
第2の金属の酸化物を含む第2の層は、第1の層の第1の表面の少なくとも一部を被覆し、例えば、高温、第1の層の第1の表面に対して浸食性の流体、または、第1の層の第1の表面との相溶性の要件を満たさない追加の層に曝露される場合など、第1の層の第1の表面が第1の層の正常動作条件下で反応性である雰囲気に曝露されたであろう環境から、第1の層の第1の表面の被覆部分を、少なくとも部分的に隔離する。 A second layer comprising an oxide of the second metal covers at least a portion of the first surface of the first layer and is, for example, high temperature, erodible to the first surface of the first layer. Normal operation of the first layer, such as when exposed to an additional fluid that does not meet the compatibility requirements of the fluid or the first surface of the first layer The coated portion of the first surface of the first layer is at least partially isolated from the environment that would have been exposed to an atmosphere that is reactive under conditions.
本発明の装置が例えば1000℃を超えるような高温において機能するように設計されている実施の形態では、第2の層の酸化物が耐熱性の材料であることが望ましい。例えば、ガラスの溶融および供給システムの極細管は、1500℃の高温で動作することができる。PtおよびPt−Rh合金は、極細管の壁の適切な候補材料である。極細管の壁の外表面を被覆する第2の層のための適切な酸化物は、例えば、Al2O3、ZrO2、MgO、TiO2、SiO2など、ならびに、それらの混合物および組合せでありうる。ある特定の実施の形態では、Al2O3およびZrO2が特に望ましい。本願では、説明の便宜のため、Siを、予定される第2の金属の群に含める。 In embodiments where the apparatus of the present invention is designed to function at high temperatures, for example, exceeding 1000 ° C., it is desirable that the oxide of the second layer be a heat resistant material. For example, a glass melting and feeding system microtubule can operate at a high temperature of 1500 ° C. Pt and Pt—Rh alloys are suitable candidate materials for the walls of microtubules. Suitable oxides for the second layer covering the outer surface of the microtubule wall include, for example, Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, TiO 2 , SiO 2 and the like, and mixtures and combinations thereof. It is possible. In certain embodiments, Al 2 O 3 and ZrO 2 are particularly desirable. In the present application, for convenience of explanation, Si is included in the planned second metal group.
第1の層と第2の層との強固な接着を得るため、および、少ない動作サイクルの後に第1の層と第2の層の間の層間剥離を防止するため、第1の層の単一または複数の金属および第2の層の酸化物は、実質的に同様の熱膨張率(CTE)を有することが望ましい。Pt、Pt−RhおよびAl2O3は、通常のガラス製造条件下において、類似したCTEを有する。 In order to obtain a strong adhesion between the first layer and the second layer and to prevent delamination between the first layer and the second layer after a few operating cycles, Desirably, the one or more metals and the second layer oxide have substantially similar coefficients of thermal expansion (CTE). Pt, Pt—Rh and Al 2 O 3 have similar CTEs under normal glass manufacturing conditions.
ある特定の実施の形態では、第2の層が実質的に高密度であること、すなわち、1μmより大きい空隙および亀裂を本質的に含まないことが非常に望ましい。ある特定の実施の形態では、第2の層が、500nmより大きい空隙および亀裂を本質的に含まないことが望ましい。ある特定の他の実施の形態では、第2の層が、300nmより大きい空隙および亀裂を本質的に含まないことが望ましい。ある特定の実施の形態では、第2の層が、100nmより大きい空隙および亀裂を本質的に含まないことが望ましい。第2の層がより高密度になると、層を通過する流体(例えばO2または他の気体など)の拡散速度は遅くなり、第1の層の第1の表面に、さらに効果的に、分離および保護をもたらす。 In certain embodiments, it is highly desirable that the second layer be substantially dense, ie essentially free of voids and cracks greater than 1 μm. In certain embodiments, it is desirable for the second layer to be essentially free of voids and cracks greater than 500 nm. In certain other embodiments, it is desirable for the second layer to be essentially free of voids and cracks greater than 300 nm. In certain embodiments, it is desirable for the second layer to be essentially free of voids and cracks greater than 100 nm. As the second layer becomes denser, the diffusion rate of fluid (eg, O 2 or other gas) passing through the layer becomes slower and more effectively separates into the first surface of the first layer. And bring protection.
O2含有雰囲気からPtを含む第1の層を保護するため、第2の層が、PtO2を大量に漏出するであろう空隙および亀裂を本質的に含まないことが非常に望ましい。上述のように、PtおよびO2は、次の反応(1)を被る:
Pt(固体)+ O2(気体)←→ PtO2(気体) (1)
PtO2は、O2よりもはるかに大きい分子サイズを有し、よって、体積抵抗がより空間的な第2の層を通じて拡散する。よって、第2の層における空隙および亀裂がO2の速い拡散を可能にするが、PtO2の拡散を実質的に抑制する場合には、反応(1)は急速に均衡に達し、よって、さらなる酸化およびPtの損失を防ぐであろう。したがって、本発明のある特定の実施の形態では、第2の層が非常に高密度であって、動作条件下で、第1の金属の酸化物を通過する気相の拡散を実質的に抑制することが非常に望ましい。よって、第1の層がPtを含む場合には、第2の層(Al2O3層など)が、装置の正常動作条件下でPtO2の自由拡散を可能にするであろう空隙および亀裂を本質的に含まないことが望ましい。ある特定の実施の形態では、正常動作条件下におけるO2の拡散を抑制するように、第2の層が空隙および亀裂を本質的に含まないことがさらに望ましい。
In order to protect the first layer containing Pt from the O 2 containing atmosphere, it is highly desirable that the second layer be essentially free of voids and cracks that would leak large amounts of PtO 2 . As mentioned above, Pt and O 2 undergo the following reaction (1):
Pt (solid) + O 2 (gas) ← → PtO 2 (gas) (1)
PtO 2 has a much larger molecular size than O 2 , so the volume resistance diffuses through the more spatial second layer. Thus, if the voids and cracks in the second layer allow for the rapid diffusion of O 2 , but reaction P1O 2 diffusion is substantially inhibited, reaction (1) will quickly reach equilibrium and thus further It will prevent oxidation and loss of Pt. Thus, in certain embodiments of the invention, the second layer is very dense and substantially inhibits gas phase diffusion through the first metal oxide under operating conditions. It is highly desirable to do. Thus, if the first layer includes Pt, the second layer (such as an Al 2 O 3 layer) will allow voids and cracks that will allow free diffusion of PtO 2 under normal operating conditions of the device. It is desirable not to contain essentially. In certain embodiments, it is further desirable that the second layer be essentially free of voids and cracks so as to suppress O 2 diffusion under normal operating conditions.
ある特定の実施の形態では、第2の層が、金属状態にある第2の金属を本質的に含まないこと、すなわち、第2の層における第2の金属が実質的に完全に酸化されることが望ましい。このように完全に酸化された第2の層は、装置の正常動作条件下で安定である。それにもかかわらず、ある特定の実施の形態では望ましいであろう、第2の層における第2の金属の一部が金属状態にあることは排除されない。金属状態にある第2の金属の一部が、工程(b)の終了時に、第2の層の下に金属などの混合物を形成することは排除されない。それらの実施の形態では、第2の層が流体に曝露されるように設計される場合には、流体に曝露される第2の層の少なくとも表面が完全に酸化されることが非常に望ましい。残りの金属状態にある第2の金属は、特に第1の層に隣接した領域において、動作の間に消費された第2の層の一部を補充することができ、したがって、ある特定の実施の形態では望ましい。しかしながら、他の実施の形態では、金属状態にある第2の金属が第1の金属と合金化する能力に起因して、装置の動作の間に、第2の金属が第1の層のバルク内に深く拡散し、第1の層の脆弱化を引き起こす場合があり、したがって、望ましくない。 In certain embodiments, the second layer is essentially free of the second metal in the metallic state, i.e., the second metal in the second layer is substantially completely oxidized. It is desirable. The fully oxidized second layer is stable under the normal operating conditions of the device. Nevertheless, it is not excluded that a portion of the second metal in the second layer is in the metallic state, which may be desirable in certain embodiments. It is not excluded that a part of the second metal in the metal state forms a mixture such as a metal under the second layer at the end of step (b). In those embodiments, if the second layer is designed to be exposed to a fluid, it is highly desirable that at least the surface of the second layer exposed to the fluid be fully oxidized. The second metal in the remaining metal state can replenish a portion of the second layer consumed during operation, particularly in the region adjacent to the first layer, and thus in certain implementations. This is desirable. However, in other embodiments, due to the ability of the second metal in the metal state to alloy with the first metal, during operation of the device, the second metal is bulked in the first layer. It can diffuse deeply into and cause weakening of the first layer and is therefore undesirable.
先に簡単に説明したように、本発明の装置における第1の層と第2の層との接触面は、実質的に複雑に入り組んでいる。よって、接触面が第1の層のメジアン面に実質的に垂直な面によってカットされて、断面を得る場合、1μmの解像度スケールにおけるでこぼこした曲線を、例えば電子顕微鏡などによって観察することができる。ある特定の実施の形態では、第1の層と第2の層との接触面の高いコンボリューション指数は、本発明を、先行技術でコーティングされた金属のものと識別する、顕著な特徴である。本発明の装置における第1および第2の層の接触面は、少なくとも1.48のコンボリューション指数を有し、ある特定の実施の形態では少なくとも1.50であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.60であり、ある特定の他の実施の形態では少なくとも1.70であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.80である。 As briefly described above, the contact surfaces of the first layer and the second layer in the device of the present invention are substantially complicated. Therefore, when the contact surface is cut by a surface substantially perpendicular to the median surface of the first layer to obtain a cross-section, the uneven curve on the 1 μm resolution scale can be observed with, for example, an electron microscope. In certain embodiments, the high convolution index of the contact surface between the first layer and the second layer is a prominent feature that distinguishes the present invention from that of metal coated in the prior art. . The contact surfaces of the first and second layers in the apparatus of the present invention have a convolution index of at least 1.48, in certain embodiments at least 1.50, and in certain embodiments. At least 1.60, in certain other embodiments at least 1.70, and in certain embodiments at least 1.80.
当然ながら、第2の層が厚みを増すと、そこを通過する流体の拡散に対し、より大きい抵抗を提供できる。しかしながら、コーティングの厚みの増大は、形成にさらに費用がかかり、ある特定の実施の形態では、不必要でありうる。第2の層の厚さは、第1の層から離れた第2の層の表面から、第1の層の第1の表面までの平均最短距離として定義される。したがって、ある特定の実施の形態では、第2の層は、最大で80μmの厚さを有し、ある特定の他の実施の形態では最大で60μmであり、ある特定の他の実施の形態では最大で50μmであり、ある特定の他の実施の形態では最大で40μmであり、ある特定の実施の形態では最大で30μmである。拡散に対する抑制の閾値を得るため、第2の層の厚さは、ある特定の実施の形態では少なくとも5μmであることが望ましく、ある特定の実施の形態では少なくとも10μmであり、ある特定の実施の形態では少なくとも20μmであり、ある特定の実施の形態では少なくとも30μmである。 Of course, increasing the thickness of the second layer can provide greater resistance to diffusion of fluid through it. However, increasing the thickness of the coating is more expensive to form and may be unnecessary in certain embodiments. The thickness of the second layer is defined as the average shortest distance from the surface of the second layer remote from the first layer to the first surface of the first layer. Thus, in certain embodiments, the second layer has a thickness of up to 80 μm, in certain other embodiments up to 60 μm, and in certain other embodiments. Up to 50 μm, in certain other embodiments up to 40 μm, and in certain specific embodiments up to 30 μm. To obtain a suppression threshold for diffusion, the thickness of the second layer is desirably at least 5 μm in certain embodiments, and at least 10 μm in certain embodiments, It is at least 20 μm in form, and in certain embodiments at least 30 μm.
第1の層と第2の層の入り組んだ接触面は、ある特定のインターロック特性を含みうる、すなわち、第1の層のある特定の部分が第2の層内に突き出る、および/または、第2の層のある特定の部分が第1の層内に突き出る。このようなインターロック特性は、2つの層間の強固な接着にとって特に望ましい。1μm規模のインターロック特性は、第2の層の酸化物の直接的な化学蒸着などの従来のコーティング方法の使用によって形成することは容易ではない。従来のコーティング方法の利用によって形成することは特に困難であるが、本発明によって得ることが可能な、空隙を本質的に含まないインターロック特性は、同時に備えることができる、界面接着強度の高さと流体(O2など)拡散性の低さに起因して、非常に望ましい。ある特定の実施の形態では、第1の金属の突出部分が、第1の層を備えたバルクに直接接続すること、および/または、第2の層の酸化物の突出部分が、第2の層の酸化物のバルクに直接接続することが望ましい。第1の層と第2の層のこのような連続構造は、第1の層と第2の層の間の結合強度を強化する。それにもかかわらず、ある特定の実施の形態では、第2の層における第2の金属の酸化物のバルクにおいて、第1の金属のバルクと直接結合していない、第1の金属のある特定の離散粒子が存在することを排除するものではない。ある特定の実施の形態では、第2の層の下に、第2の金属の酸化物のある特定の離散的な島状部が形成され、第1の金属のバルク内に捕捉されることを排除するものではない。 The intricate contact surfaces of the first layer and the second layer can include certain interlocking properties, i.e., certain portions of the first layer protrude into the second layer, and / or A certain part of the second layer protrudes into the first layer. Such interlock characteristics are particularly desirable for strong adhesion between two layers. The 1 μm scale interlocking properties are not easy to form by using conventional coating methods such as direct chemical vapor deposition of the second layer oxide. Although it is particularly difficult to form through the use of conventional coating methods, the interlock property essentially free of voids that can be obtained according to the present invention can be provided simultaneously with high interfacial adhesion strength. Highly desirable due to the low diffusivity of fluids (such as O 2 ). In certain embodiments, the first metal overhang directly connects to the bulk with the first layer, and / or the second layer oxide overhang is the second It is desirable to connect directly to the oxide bulk of the layer. Such a continuous structure of the first layer and the second layer enhances the bond strength between the first layer and the second layer. Nevertheless, in certain embodiments, certain bulk of the first metal in the bulk of the second metal oxide in the second layer that is not directly bonded to the bulk of the first metal. It does not exclude the presence of discrete particles. In certain embodiments, a particular discrete island of oxide of the second metal is formed under the second layer and trapped within the bulk of the first metal. It is not excluded.
第1および第2の層の接触面における高いコンボリューション指数は、2つの層間に広い接触面積を提供し、よって、2つの層間の接着を大幅に強化する。インターロック特性は、存在する場合には、さらに、結合形成を改善する。 A high convolution index at the contact surface of the first and second layers provides a large contact area between the two layers, thus greatly enhancing the adhesion between the two layers. The interlock property, when present, further improves bond formation.
本発明の装置における第2の層の保護コーティングの存在により、第1の層の酸化および損失を低減することができる。第1の金属がPtなどの貴金属を含む実施の形態では、これらの保護の結果として、装置寿命の大幅な延長および資本の節約につながる。 Due to the presence of the protective coating of the second layer in the device of the present invention, the oxidation and loss of the first layer can be reduced. In embodiments where the first metal includes a noble metal such as Pt, these protections result in significant equipment life and capital savings.
他方では、ガラス製造方法におけるPt酸化が、低温領域におけるPtO2の解離およびPt金属粒子の凝縮に起因して、ガラス溶融物内に入り込み、望ましくない欠陥を形成しうるPt内包物を、最終的なガラス内に生じうることが知られている。よって、本発明の装置は、ガラス製造システムにおいて適切に用いられる場合には、ガラス品質も高めることができる。 On the other hand, the Pt inclusions in the glass manufacturing process that can penetrate into the glass melt and form undesirable defects due to the dissociation of PtO 2 in the low temperature region and the condensation of Pt metal particles, It is known that it can occur in glass. Therefore, the apparatus of this invention can also improve glass quality, when used appropriately in a glass manufacturing system.
図1は、金属Alを含む前駆体層を有する1つのPt−Rh金属片の断面100の走査電子顕微鏡画像を示している。図1におけるこの断面の構造および組成について、以下にさらに詳細に説明する。
FIG. 1 shows a scanning electron microscope image of a
図2は、以下に説明する本発明の金属化処理を使用することによって調製した、完全に酸化されたAl2O3層を有する1つのPt−Rh金属片の断面の走査電子顕微鏡画像を示している。 FIG. 2 shows a scanning electron microscope image of a cross section of one Pt—Rh metal piece with a fully oxidized Al 2 O 3 layer prepared by using the metallization process of the present invention described below. ing.
図3は、基板上に予め形成したAl2O3層を除去した後のPt−Rh基板の表面の走査電子顕微鏡画像である。この画像は、Pt−Rh層の第1の表面の入り組んだ特徴を明らかにしている。 FIG. 3 is a scanning electron microscope image of the surface of the Pt—Rh substrate after removing the Al 2 O 3 layer previously formed on the substrate. This image reveals the intricate features of the first surface of the Pt—Rh layer.
II.装置の製造方法
本発明の第2の態様は、酸化雰囲気に曝露される際に、高温において、装置における第1の金属を含む第1の層の第1の表面を保護する方法を対象とし、
(a)前記第1の金属の第1の表面の少なくとも一部の上に、金属状態にある第2の金属を含む前駆体層を提供し、ここで、前記第2の金属は、前記前駆体層が提供される条件下で、前記第1の金属と合金を形成する能力を有し;
(b)前記前駆体層を高温において酸化雰囲気に曝露することにより、前記第2の金属の酸化物を含む第2の層を形成する、
各工程を有してなる。
II. Device Manufacturing Method A second aspect of the present invention is directed to a method for protecting a first surface of a first layer comprising a first metal in a device at an elevated temperature when exposed to an oxidizing atmosphere,
(A) providing a precursor layer comprising a second metal in a metallic state on at least a portion of the first surface of the first metal, wherein the second metal is the precursor; Having the ability to form an alloy with the first metal under the conditions in which a body layer is provided;
(B) forming a second layer containing an oxide of the second metal by exposing the precursor layer to an oxidizing atmosphere at a high temperature;
It has each process.
工程(a)は、スパッタリング、化学蒸着、スラリー堆積などを行い、前記金属状態にある第2の金属の前駆体層を形成する工程を含んで差し支えない。工程(a)の間に、第2の金属が第1の層に入り込み、第1の金属が前駆体層に入り込み、接触面に同時に、第1の金属の勾配と第2の金属の勾配を形成する。ある特定の実施の形態では、前駆体層の少なくとも上部が第2の金属を本質的に含まないことが望ましく、第2の金属は第1の層の全厚を貫通しないことが望ましい。ある特定の他の実施の形態では、前駆体層は、その厚さ全体にわたり、第1の金属と第2の金属の混合物を含む。例えば、本質的にPtxAlyからなる前駆体層は、AlがPt基板の表面に堆積する場合に形成されうる。 Step (a) may include a step of performing a sputtering, chemical vapor deposition, slurry deposition, or the like to form a precursor layer of the second metal in the metal state. During step (a), the second metal enters the first layer, the first metal enters the precursor layer, and simultaneously the first metal gradient and the second metal gradient are applied to the contact surface. Form. In certain embodiments, it is desirable that at least the top portion of the precursor layer is essentially free of the second metal, and it is desirable that the second metal does not penetrate the entire thickness of the first layer. In certain other embodiments, the precursor layer comprises a mixture of a first metal and a second metal throughout its thickness. For example, a precursor layer consisting essentially of Pt x A y can be formed when Al is deposited on the surface of a Pt substrate.
第1の金属がPtまたはPt−Rhであり、第2の金属がAlである場合には、スパッタリング、従来の化学蒸着、スラリー堆積などによって、Al層を堆積させることができる。PtおよびAlは、PtxAlyで表される合金を形成することが知られていることから、接触面は、さまざまなPt/Alモル比を有するPt−Alの混合物である。 When the first metal is Pt or Pt—Rh and the second metal is Al, the Al layer can be deposited by sputtering, conventional chemical vapor deposition, slurry deposition, or the like. Since Pt and Al are known to form alloys represented by Pt x Al y , the contact surface is a Pt—Al mixture with various Pt / Al molar ratios.
第1の金属、第1の層、および第2の金属に関しては、本発明の装置について先に述べた通りでありうる。よって、第1の金属はPtまたはPt−Rh合金などの貴金属であって差し支えなく、第2の金属は、Al、Zr、Ti、Si、Mg、およびそれらの混合物および組合せなどであってよい。 With respect to the first metal, the first layer, and the second metal, it may be as described above for the device of the present invention. Thus, the first metal can be a noble metal such as Pt or a Pt—Rh alloy, and the second metal can be Al, Zr, Ti, Si, Mg, and mixtures and combinations thereof.
前駆体層の厚さは、第1の層から離れた前駆体層の表面から、第2の金属の濃度が無視できる第1の層の第1の表面までの平均最短距離として定義される。よって、前駆体層の厚さは、ある程度は、第2の層の酸化物の最終的な第2の層の所望の厚さによって決定される。前駆体層の厚さは、特に、第1の金属がPtを含み、第2の金属がAlを含む場合には、ある特定の実施の形態では120μm以下であることが望ましく、ある特定の実施の形態では100μm以下であり、他の実施の形態では80μm以下であり、他の実施の形態では、60μm以下であり、他の実施の形態では、50μm以下であり、他の実施の形態では、40μm以下である。それにもかかわらず、十分な厚さの第2の金属の酸化物の第1の層を形成するためには、前駆体層の厚さは、ある特定の実施の形態では、少なくとも20μmであることが望ましい。よって、工程(a)において、前駆体層は、ある特定の実施の形態では約20μm〜約60μmの厚さを有し、ある特定の他の実施の形態では20μm〜約50μmであり、ある特定の他の実施の形態では約25μm〜約45μmであり、ある特定の他の実施の形態では約30μm〜約40μmである。 The thickness of the precursor layer is defined as the average shortest distance from the surface of the precursor layer away from the first layer to the first surface of the first layer where the concentration of the second metal is negligible. Thus, the thickness of the precursor layer is determined in part by the desired thickness of the final second layer of oxide of the second layer. The thickness of the precursor layer is preferably 120 μm or less in certain embodiments, particularly when the first metal includes Pt and the second metal includes Al, Is 100 μm or less in other embodiments, 80 μm or less in other embodiments, 60 μm or less in other embodiments, 50 μm or less in other embodiments, and in other embodiments, 40 μm or less. Nevertheless, in order to form a sufficiently thick second metal oxide first layer, the thickness of the precursor layer, in certain embodiments, is at least 20 μm. Is desirable. Thus, in step (a), the precursor layer has a thickness of about 20 μm to about 60 μm in certain embodiments, and 20 μm to about 50 μm in certain other embodiments, In other embodiments, from about 25 μm to about 45 μm, and in certain other embodiments, from about 30 μm to about 40 μm.
工程(a)において、前駆体層は、従来の化学蒸着、プラズマ助長化学蒸着、スラリー堆積、スパッタリング、電気めっきなど、さまざまな技法を使用して形成することができる。さまざまな前駆体層の厚さは、これらのさまざまな技法を使用して達成することができるが、ある特定の方法が、所定の厚さを有する金属コーティングを作るのに最も適している場合があることが理解されよう。よって、第2の層の最初の金属層が厚すぎて、第2の金属の第2の層へと完全に酸化されない場合、第2の金属が堆積したままの前駆体層を、例えば化学機械研磨の工程などの薄層化の工程に供し、第2の金属層の厚さを所望の範囲まで低減することが望ましいであろう。Al含有金属層を、Ptを含むものなど、第1の金属の上に直接形成するのに特に望ましい方法は、スラリー堆積である。これらの方法は、結果的に、薄層化の工程を必要とせずに、20〜60μmの範囲の実質的に均一な厚さを有する、実質的に高密度のAl−Pt合金層を生じることができる。 In step (a), the precursor layer can be formed using various techniques, such as conventional chemical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition, slurry deposition, sputtering, electroplating, and the like. Different precursor layer thicknesses can be achieved using these different techniques, but certain methods may be most suitable for making metal coatings with a given thickness. It will be understood that there is. Thus, if the first metal layer of the second layer is too thick to fully oxidize to the second layer of the second metal, the precursor layer with the second metal deposited can be converted to, for example, chemical mechanical It would be desirable to reduce the thickness of the second metal layer to a desired range by subjecting it to a thinning step such as a polishing step. A particularly desirable method for forming the Al-containing metal layer directly on the first metal, such as that comprising Pt, is slurry deposition. These methods result in a substantially dense Al—Pt alloy layer having a substantially uniform thickness in the range of 20-60 μm without the need for a thinning step. Can do.
ある特定の実施の形態では、工程(a)は、工程(b)の前に、堆積後の熱処理の工程を有していてもよい。工程(b)の前に、第1の金属と第2の金属を含む混合物を形成することは、本発明の装置における高いコンボリューション指数を有する接触面の形成にとって非常に望ましい。ある特定の薄層堆積方法は、第1の金属と第2の金属の混合物または金属間化合物が、非常に遅い速度で形成される温度で行われる。接触面が堆積温度よりも高い温度まで加熱される、堆積後の熱処理は、工程(b)の前に、前駆体層における金属混合物の形成を促進しうる。例えば、500℃未満で行われる従来のAl CVD法は、結果的にPt−Rh合金基板上にPtが不足した前駆体Al層を生じ、約1000℃での堆積後の熱処理がAlおよびPtの金属間化合物の形成を助長することが判明した。 In a specific embodiment, step (a) may include a post-deposition heat treatment step before step (b). Forming a mixture comprising a first metal and a second metal prior to step (b) is highly desirable for the formation of contact surfaces having a high convolution index in the apparatus of the present invention. Certain thin layer deposition methods are performed at temperatures at which a mixture of first and second metals or intermetallic compounds is formed at a very slow rate. A post-deposition heat treatment in which the contact surface is heated to a temperature higher than the deposition temperature can facilitate the formation of a metal mixture in the precursor layer prior to step (b). For example, a conventional Al CVD method performed at less than 500 ° C. results in a precursor Al layer lacking Pt on a Pt—Rh alloy substrate, and post-deposition heat treatment at about 1000 ° C. is performed with Al and Pt. It has been found to promote the formation of intermetallic compounds.
使用する方法にかかわらず、工程(a)において、第1および第2の金属の合金が形成されることが望ましい。よって、第1の層と前駆体層の接触面は、第1の金属および第2の金属の勾配を含み、その範囲は、無視できるレベルの第2の金属を含む一方の端における領域から、合金または混合物が存在する中間領域まで、および、最低レベルの第1の金属を含む反対端における領域にまで及ぶ。よって、第1の金属がPtであり、第2の金属がAlである、ある特定の実施の形態では、接触面は、本質的にPtからなる第1の層から、Pt・Alで表すことができる中間領域まで、および、本質的にAlからなる領域にまで及ぶ。第1の金属がPtであり、第2の金属がAlである、別の実施の形態では、接触面は、本質的にPtからなる第1の層の表面から、Pt・Alで表すことができる中間領域まで、および、本質的にAl2Ptからなる反対端における領域にまで及ぶ。前駆体層がそれらの厚さ全体にわたってPtおよびAlの混合物を含む後者の実施の形態は、Al2Ptの融解温度がAlと比較して著しく高いことから、特に有利でありうる。 Regardless of the method used, it is desirable to form an alloy of the first and second metals in step (a). Thus, the contact surface of the first layer and the precursor layer includes a gradient of the first metal and the second metal, and the range is from a region at one end that includes a negligible level of the second metal, It extends to the middle region where the alloy or mixture is present and to the region at the opposite end containing the lowest level of the first metal. Thus, in certain embodiments where the first metal is Pt and the second metal is Al, the contact surface is represented by Pt · Al from the first layer consisting essentially of Pt. Up to the intermediate region where it is possible to extend to the region consisting essentially of Al. In another embodiment where the first metal is Pt and the second metal is Al, the contact surface may be represented by Pt · Al from the surface of the first layer consisting essentially of Pt. To the possible intermediate region and to the region at the opposite end consisting essentially of Al 2 Pt. The latter embodiment, in which the precursor layer includes a mixture of Pt and Al throughout their thickness, can be particularly advantageous because the melting temperature of Al 2 Pt is significantly higher compared to Al.
本発明の方法の工程(b)では、前駆体層は、高温においてO2含有雰囲気に曝露される。例えば、工程(b)におけるこれらの酸化は、空気中、800℃より高い温度など、500℃を上回る温度で行うことができ、例えば、1500℃より高い温度が挙げられる。前駆体層は、このような条件下で第2の層へと酸化される。一例として、第1の金属がPtからなり、第2の金属がAlからなる実施の形態を挙げる。Al含有前駆体層の表面領域におけるアルミニウムは、最初にAl2O3へと酸化される。次いで、O2はAl2O3層を通過して拡散し、その下にある金属Alを酸化する。 In step (b) of the method of the present invention, the precursor layer is exposed to an O 2 containing atmosphere at an elevated temperature. For example, these oxidations in the step (b) can be performed in air at a temperature higher than 500 ° C., such as a temperature higher than 800 ° C., and examples include a temperature higher than 1500 ° C. The precursor layer is oxidized to the second layer under such conditions. As an example, an embodiment is described in which the first metal is made of Pt and the second metal is made of Al. Aluminum in the surface region of the Al-containing precursor layer is first oxidized to Al 2 O 3 . O 2 then diffuses through the Al 2 O 3 layer and oxidizes the underlying metal Al.
第1の金属がPtであり、第2の金属がAlである実施の形態の場合には、第2の金属は、金属状態にある場合に、高温においてO2を含む第1の金属より高い反応性を有することが望ましい。このような状況下では、工程(b)において、O2が第2の金属上に形成された酸化物の層を通過して拡散し、第1の金属原子が接触面の中間域に達するときに、第1の金属は、第2の金属の還元効果に起因して、還元金属の状態を保つ。よって、工程(b)では、第2の金属が優先的に酸化される。特定の理論に縛られることは意図しないが、第2の金属の酸化物は、上部の酸化物層を有する前駆体層において、凝集する傾向があり、金属状態にある第1の金属は、第1の層のバルクと凝集する傾向にあり、よって、最終的には、高密度の実質的に空隙を含まない第2の層を、第1の層の実質的に連続する第1の表面上に隣接して形成すると考えられる。また、工程(b)では、前駆体層における第1の金属の凝集および第2の金属の酸化物は、実質的に無作為的に生じ、工程(b)の終了時に、結果的に、第1の層と第2の層との接触面のでこぼこした不規則なトポグラフィーを生じると考えられる。ある特定の実施の形態では、μm規模におけるインターロック特性が結果的に形成される。本発明の装置に関して先に述べたように、このようなでこぼこの接触面およびインターロック特性は、第1の層への第2の層の強力な付着の一因となる。 In embodiments where the first metal is Pt and the second metal is Al, the second metal is higher than the first metal containing O 2 at high temperatures when in the metallic state. It is desirable to have reactivity. Under such circumstances, in step (b), when O 2 diffuses through the oxide layer formed on the second metal and the first metal atom reaches the intermediate region of the contact surface. In addition, the first metal maintains the reduced metal state due to the reduction effect of the second metal. Therefore, in the step (b), the second metal is preferentially oxidized. While not intending to be bound by any particular theory, the second metal oxide tends to agglomerate in the precursor layer with the upper oxide layer, and the first metal in the metallic state is Tend to agglomerate with the bulk of one layer, so that eventually a dense, substantially void-free second layer is deposited on the substantially continuous first surface of the first layer. It is thought that it forms adjacent to. Further, in the step (b), the aggregation of the first metal and the oxide of the second metal in the precursor layer occur substantially randomly, and as a result, at the end of the step (b), the first It is believed to produce a rugged irregular topography of the contact surface between the first layer and the second layer. In certain embodiments, an interlock characteristic on the μm scale is formed as a result. As described above with respect to the device of the present invention, such bumpy contact surfaces and interlocking characteristics contribute to the strong adhesion of the second layer to the first layer.
当然ながら、前駆体層が厚くなると、金属Alがすべて酸化される前に形成されるであろうAl2O3層も厚くなり、所定のO2分圧およびO2温度において、厚いAl2O3層を通じて拡散し、その下にある残りのAl金属に達することが、より難しく、時間がかかるようになる。したがって、望ましい厚さは、上述の前駆体層の範囲である。 Of course, the thicker the precursor layer, the thicker the Al 2 O 3 layer that would be formed before all the metal Al was oxidized, and at a given O 2 partial pressure and O 2 temperature, thick Al 2 O 3. It becomes more difficult and time consuming to diffuse through the three layers and reach the remaining Al metal underneath. Therefore, the desired thickness is in the range of the precursor layer described above.
第2の金属が、酸化条件下で、安定な酸化物へと実質的に完全に酸化されることは、ある特定の実施の形態では非常に望ましい。このような完全な酸化の結果として、形成された装置の通常動作の間にはそれ以上酸化されない、安定な第2の層を生じる。しかしながら、ある特定の実施の形態では、第2の層が、第2の金属の酸化物に加えて、金属状態にある、無視できない量の第2の金属を含むことを排除するものではない。第1の層の構造強度が重要であり、第1の金属層に入り込み、残存している第2の金属が第1の層の強度を過度に損ないかねない用途では、工程(b)において、前駆体層における第2の金属のすべてが酸化されることが非常に望ましい。第1の金属と残りの第2の金属の合金化によって生じる構造強度の脆弱化が耐えられる、または無視できるような実施の形態では、残りの第2の金属は、通常の摩耗および裂傷など、工程条件によって損なわれうる第2の層の完全性をおそらくは修復または維持できるであろうその後の工程において、装置の動作の間にさらに酸化されうることから、工程(b)の終了時に、ある量の第2の金属が第1の金属と合金化された状態を保持できることが望ましいであろう。 It is highly desirable in certain embodiments that the second metal be substantially fully oxidized to a stable oxide under oxidizing conditions. Such a complete oxidation results in a stable second layer that is not further oxidized during normal operation of the formed device. However, in certain embodiments, it is not excluded that the second layer includes a non-negligible amount of the second metal in the metallic state in addition to the oxide of the second metal. In applications where the structural strength of the first layer is important and the second metal that enters and remains in the first metal layer can unduly compromise the strength of the first layer, in step (b), It is highly desirable that all of the second metal in the precursor layer be oxidized. In embodiments where the structural strength weakening caused by alloying the first metal with the remaining second metal can be tolerated or neglected, the remaining second metal can include normal wear and tear, such as At the end of step (b), a certain amount may be oxidized during the operation of the device in a subsequent step that could possibly repair or maintain the integrity of the second layer, which could be compromised by the process conditions. It would be desirable to be able to keep the second metal in an alloyed state with the first metal.
本発明の装置に関して先に述べたように、工程(b)において、第1の層と第2の層との接触面は、実質的に高密度であり、かつ、不規則なトポグラフィーを有することが望ましい。 As described above with respect to the apparatus of the present invention, in step (b), the contact surface between the first layer and the second layer is substantially dense and has an irregular topography. It is desirable.
本発明の装置に関して先に述べたように、工程(b)において、第2の層は、第1の層と第2の層との接触面が、少なくとも1.50のコンボリューション指数を有するように形成されることが望ましく、ある特定の実施の形態では少なくとも1.55であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.60であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.65であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.70であり、ある特定の実施の形態では少なくとも1.75である。 As described above with respect to the apparatus of the present invention, in step (b), the second layer is such that the contact surface between the first layer and the second layer has a convolution index of at least 1.50. And in certain embodiments at least 1.55, in certain embodiments at least 1.60, in certain embodiments at least 1.65, In certain embodiments it is at least 1.70 and in certain embodiments it is at least 1.75.
ある特定の実施の形態では、工程(b)の終了時に、第2の金属の酸化物を含む、このように形成された第2の層は、その高密度性に起因して、O2の拡散を有効に抑制し、第1の金属をさらに酸化することができる。ある特定の他の実施の形態では、工程(b)の終了時において、このように形成された第2の層は、O2透過性でありうるが、それにもかかわらず、第1の金属のガス状の酸化物に対し、実質的に不透過性である。例えば、第2の金属がAlであり、第1の金属がPtである場合、PtO2の著しく大きい分子サイズに起因して、Al2O3層は、O2よりもPtO2の拡散に対してはるかに顕著に抑制する層として作用し、連続的な酸化およびPt金属の漏出を効果的に抑制することができる。したがって、Al2O3などの第2の金属の酸化物は、第1の金属の酸化に対する保護層としての働きをする。 In certain embodiments, at the end of step (b), the second layer thus formed, including the oxide of the second metal, is O 2 due to its high density. Diffusion can be effectively suppressed and the first metal can be further oxidized. In certain other embodiments, at the end of step (b), the second layer thus formed may be O 2 permeable, but nevertheless of the first metal It is substantially impermeable to gaseous oxides. For example, a second metal is Al, if the first metal is Pt, due to the significantly larger molecular size of PtO 2, Al 2 O 3 layer, to diffusion of PtO 2 than O 2 It acts as a much more conspicuously suppressing layer and can effectively suppress continuous oxidation and Pt metal leakage. Therefore, the oxide of the second metal such as Al 2 O 3 serves as a protective layer against the oxidation of the first metal.
本発明の方法のある特定の実施の形態では、工程(b)において、高温は、1000℃から第1の金属の融解温度の範囲である。前駆体層に含まれる第2の金属が、第1の層の上の高密度コーティングへと酸化される場合、完全な第2の金属の酸化のために所望される、酸化物層を通じたO2の拡散を促進するためには、高温が望ましいことが判明した。それにもかかわらず、酸化工程は、第1の層の融解を生じないことが望ましい。前駆体層が、第1の金属と第2の金属の金属間化合物などの混合物から本質的になる、ある特定の他の実施の形態では、工程(b)において、高温は、1000℃から前駆体層における混合物の溶融温度までの範囲であることが望ましい。というのも、前駆体層がその溶融温度よりも高い温度に加熱される場合に、材料が融解して第1の層の表面に流れ、第2の金属の酸化物の連続的かつ実質的に高密度の層を形成する工程を損ないかねないからである。 In certain embodiments of the method of the present invention, in step (b), the elevated temperature ranges from 1000 ° C. to the melting temperature of the first metal. When the second metal contained in the precursor layer is oxidized to a high density coating on the first layer, O through the oxide layer is desired for complete second metal oxidation. High temperatures have been found desirable to promote the diffusion of 2 . Nevertheless, it is desirable that the oxidation step does not cause melting of the first layer. In certain other embodiments, where the precursor layer consists essentially of a mixture such as an intermetallic compound of a first metal and a second metal, in step (b), the elevated temperature is from 1000 ° C. A range up to the melting temperature of the mixture in the body layer is desirable. This is because when the precursor layer is heated to a temperature higher than its melting temperature, the material melts and flows to the surface of the first layer, resulting in a continuous and substantially continuous second metal oxide. This is because the process of forming the high-density layer may be impaired.
ある特定の実施の形態では、工程(b)において、第1の金属上に溶融金属が著しく流れることなく、第2の金属の酸化が生じるように、前駆体層は、ある温度上昇速度で、高温まで加熱されることが望ましい。第1の金属がPtであり、第2の金属がAlである実施の形態では、Alは、約1000℃において、合金の形成によってPtを浸透させる傾向があることが判明した。第1の金属バルクへの実質的な浸透を生じさせずに、AlがすぐにAl2O3へと酸化される、約1500℃という非常に高い酸化温度は、有益であろう。しかしながら、堅牢なAl2O3コーティングを得るためには、金属間化合物の形成が必要とされる。酸化工程における大幅な温度上昇は、堅牢な高密度の酸化物層の形成にとって有益であると考えられる。 In certain embodiments, in step (b), the precursor layer is at a rate of temperature increase such that oxidation of the second metal occurs without significant flow of molten metal on the first metal. It is desirable to be heated to a high temperature. In embodiments where the first metal is Pt and the second metal is Al, it has been found that Al tends to penetrate Pt by alloy formation at about 1000 ° C. A very high oxidation temperature of about 1500 ° C. where Al is immediately oxidized to Al 2 O 3 without causing substantial penetration into the first metal bulk would be beneficial. However, in order to obtain a robust Al 2 O 3 coating, the formation of intermetallic compounds is required. A significant temperature increase in the oxidation process is considered beneficial for the formation of a robust and dense oxide layer.
本発明の方法のある特定の実施の形態では、工程(b)は、本発明の装置が形成され、動作システムに組み込まれる前に、予熱段階において行われる。例えば、装置が、本発明の方法によって作られたAl2O3で被覆されたPt微細管である実施の形態では、微細管は、Al−Pt合金の層で被覆されたPt管を高温において、酸化工程に供することによって、ガラス製造システムに取り付ける前に、完全に作製して差し支えない。 In certain embodiments of the method of the present invention, step (b) is performed in a preheating stage before the device of the present invention is formed and incorporated into an operating system. For example, in an embodiment where the device is a Pt microtube coated with Al 2 O 3 made by the method of the present invention, the microtube is a Pt tube coated with a layer of Al—Pt alloy at elevated temperatures. By subjecting it to an oxidation process, it can be made completely before being attached to the glass manufacturing system.
他方では、本発明の装置が、O2含有雰囲気下、高温で動作するように設計される場合、装置は、動作システムの導入において、その場(in-situ)で形成されて差し支えない。例えば、装置が、本発明の方法で作られた、Al2O3で被覆されたPt微細管である実施の形態では、次の工程に従って、その場(in-situ)で作製されうる:
(1)Alを含む層をPt管の外表面に堆積し、
(2)工程(1)から得られた管をガラス溶融システムに取り付け、
(3)管が空気中で高温まで加熱されるように、ガラス溶融システムを予熱し、それによって、前駆体Al含有層が酸化されて、第2の層を形成する。
On the other hand, if the device of the present invention is designed to operate at high temperatures in an O 2 containing atmosphere, the device can be formed in-situ upon introduction of the operating system. For example, in an embodiment where the device is an Al 2 O 3 coated Pt microtubule made with the method of the present invention, it can be made in-situ according to the following steps:
(1) depositing a layer containing Al on the outer surface of the Pt tube;
(2) Attach the tube obtained from step (1) to the glass melting system,
(3) Preheat the glass melting system so that the tube is heated to high temperature in air, whereby the precursor Al-containing layer is oxidized to form a second layer.
III.ガラスの製造方法
本発明の第3の態様は、本発明の装置を使用するガラス製造方法である。ガラス製造方法は、
(1)バッチ材料を溶融タンク内で溶融し、ガラス溶融物を得て、
(2)前記ガラス溶融物を、導管を通じて後続の工程に供給し、
(3)前記ガラス溶融物を調整し、
(4)前記ガラス溶融物を所望の形態へと成形する、
各工程を有しうる。(1)〜(4)のあらゆる工程において、本発明の装置を1つ以上、採用することができる。例えば、工程(1)において、ガラス溶融タンクのある特定の成分は、本発明に従って作られた、Al2O3および/またはZrO2層で被覆された貴金属であって差し支えなく;工程(2)では、供給システムは、Al2O3および/またはZrO2で被覆された外表面を有するPt−Rh管であって差し支えなく;工程(3)では、極細管または撹拌チャンバは、本発明の装置であって差し支えなく;フュージョンドロー、フロート、またはスロットドロー、または他の形成方法を含みうる工程(4)では、フュージョン・ダウンドロー法におけるアイソパイプなどの装置は、ある程度または全体的に、Al2O3および/またはZrO2で被覆されたPtを含む本発明の装置でありうる。
III. 3. Manufacturing method of glass The 3rd aspect of this invention is a glass manufacturing method which uses the apparatus of this invention. The glass manufacturing method
(1) The batch material is melted in a melting tank to obtain a glass melt,
(2) supplying the glass melt to a subsequent process through a conduit;
(3) adjusting the glass melt,
(4) forming the glass melt into a desired form;
Each step can be included. One or more apparatuses of the present invention can be employed in all steps (1) to (4). For example, in step (1), one particular component of the glass melting tank can be a noble metal made according to the present invention and coated with an Al 2 O 3 and / or ZrO 2 layer; step (2) In this case, the supply system can be a Pt—Rh tube having an outer surface coated with Al 2 O 3 and / or ZrO 2 ; in step (3), the microtubule or the stirring chamber is a device according to the invention. In step (4), which may include fusion draw, float, or slot draw, or other forming methods, devices such as isopipes in the fusion downdraw process may be partially or wholly Al 2. It can be a device according to the invention comprising Pt coated with O 3 and / or ZrO 2 .
次の非限定的な例によって、本発明をさらに例証する。 The invention is further illustrated by the following non-limiting examples.
試験したすべてのPt−Rh金属片は、Rhを約20重量%含んでいた。 All Pt-Rh metal pieces tested contained about 20% by weight Rh.
20重量%のRhを含む一連の清潔なPt−Rh金属片を調製し、その後、スラリー堆積法またはCVD法を用いて、本発明の方法に従ってAl−Pt金属間化合物でコーティングした。その後、得られた、Al−Ptアルミナイドで被覆されたPt−Rh金属片を観察および/または試験した。次に、アルミめっきを施したPt−Rh金属片を、空気中、約1450℃で約72時間酸化した。その後、得られた、Al2O3でコーティングしたPt−Rh金属片を、観察および/または試験した。 A series of clean Pt—Rh metal strips containing 20 wt% Rh were prepared and then coated with an Al—Pt intermetallic compound according to the method of the present invention using a slurry deposition method or a CVD method. The resulting Pt—Rh metal pieces coated with Al—Pt aluminide were then observed and / or tested. Next, the aluminum-plated Pt—Rh metal piece was oxidized in air at about 1450 ° C. for about 72 hours. Thereafter, the resultant, a Pt-Rh metal pieces coated with Al 2 O 3, were observed and / or testing.
図1は、金属Alを含む前駆体層を有する1つのPt−Rh金属片の断面100の走査電子顕微鏡画像を示している。前駆体層、第1の層および接触面の組成は、任意の適切なキャラクタリゼーション法を通じて決定することができる。電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)を備えた走査電子顕微鏡(SEM)は、例えば、前駆体層および/またはバルク金属成分内の所定の位置における組成を究明するために用いることができる。図1を参照すると、103は、サンプルの断面の調製を補助するために加えた、Niでめっきした層であり、装置の一部ではない;105、107、109、111aおよび111bは、前駆体層のさまざまな主要相であり、それぞれ、さまざまな濃度の成分およびさまざまな物理的構造を有し、113は、バルクPt−Rh金属である。さまざまな位置における、EPMAから決定される組成を下記表1に記載した。
図2は、本発明のアルミニウム化−酸化方法によって調製された、完全に酸化されたAl2O3層201を含むPt−Rh基板の断面の走査電子顕微鏡画像である。この図において、203はバルクPt−Rh金属であり、205は、画像化するための断面の調製を補助するために形成された、マウント材料の層である。 FIG. 2 is a scanning electron microscope image of a cross-section of a Pt—Rh substrate comprising a fully oxidized Al 2 O 3 layer 201 prepared by the aluminization-oxidation method of the present invention. In this figure, 203 is a bulk Pt—Rh metal, and 205 is a layer of mounting material formed to aid in the preparation of the cross-section for imaging.
図3は、基板上に予め形成したAl2O3層を除去した後のPt−Rh基板表面の走査電子顕微鏡画像である。この画像は、Pt−Rh層の第1の表面の入り組んだ性質を顕わにしている。 FIG. 3 is a scanning electron microscope image of the surface of the Pt—Rh substrate after removing the Al 2 O 3 layer previously formed on the substrate. This image reveals the intricate nature of the first surface of the Pt—Rh layer.
各コーティングされた金属片の、樹脂によって保護された断面を、画像化のために準備した。準備した断面のSEC写真を得た。約20枚のこれらの画像を収集し、各金属片について解析した。コンボリューションの程度を定量化するため、「コンボリューション指数」を次のように測定し、計算した。 A cross-section of each coated metal piece protected by resin was prepared for imaging. An SEC photograph of the prepared cross section was obtained. About 20 of these images were collected and analyzed for each piece of metal. In order to quantify the degree of convolution, the “convolution index” was measured and calculated as follows.
後方散乱させた画像を、20kVで動作するJEOL 6610 SEMに収集した。 Backscattered images were collected on a JEOL 6610 SEM operating at 20 kV.
金属片全体が見えるように、低倍率(~10×〜25×)の画像を最初に撮影した。約10枚の画像を、金属片の上方および下方境界から得た。位置を選択後、SEM画像の焦点を合わせ、金属片が、確実に視野に対して水平に方向付けられるように調整した。後方散乱させた電子画像を、可能な最高画素解像度で、150倍で撮影した。 An image at a low magnification (˜10 × ˜25 ×) was first taken so that the entire metal piece could be seen. About 10 images were obtained from the upper and lower boundaries of the metal piece. After selecting the position, the SEM image was focused and adjusted to ensure that the metal piece was oriented horizontally with respect to the field of view. Backscattered electronic images were taken at 150x with the highest possible pixel resolution.
NIH ImageJプログラムを使用して画像を解析した(http://rsbweb.nih.gov/ij/)。必要に応じて、Pt−Rh領域とAl2O3またはZrO2コーティングとの輝度における際立った相違が確実になるように、輝度およびコントラストを調整した。画像に対し、他の操作は行わなかった。Pt−Rh領域は純粋な黒(画素値0)となって表れ、残りの画像は純粋な白(画素値255)になるように、画像を2値化した。「魔法の杖(自動選択)」ツールを使用して、Pt−Rh領域を選択し、その周囲の長さを測定した。周囲の長さから水平および垂直の長さを減じ、入り組んだ接触面の長さを得た。 Images were analyzed using the NIH ImageJ program (http://rsbweb.nih.gov/ij/). As necessary, the brightness and contrast were adjusted to ensure a noticeable difference in brightness between the Pt—Rh region and the Al 2 O 3 or ZrO 2 coating. No other operations were performed on the image. The image was binarized so that the Pt-Rh region appeared as pure black (pixel value 0) and the remaining image was pure white (pixel value 255). Using the “magic wand (automatic selection)” tool, the Pt-Rh region was selected and its perimeter was measured. The horizontal and vertical lengths were subtracted from the perimeter to obtain intricate contact surface lengths.
データ品質および統計的有意性を維持するために、(i)すべての画像を同一倍率:150倍で撮影し;(ii)画像を撮影する位置を無作為に選択した;(iii)各サンプルについて、かなりの数の画像(~20)を撮影し;(iv)接触面のコンボリューションが明瞭になるように、最高解像度で画像を撮影し;(v)JPEG圧縮に起因する画像アーチファクトを回避するため、ロスレスTIFFフォーマットで画像を撮影し;(vi)境界を正確に認識し、小規模の起伏が無視されないことを確実にするように、画像解析の際、画像を目視で確認した。 In order to maintain data quality and statistical significance, (i) all images were taken at the same magnification: 150 times; (ii) the location where the images were taken was randomly selected; (iii) for each sample Take a significant number of images (~ 20); (iv) take images at the highest resolution so that the convolution of the contact surface is clear; (v) avoid image artifacts due to JPEG compression Therefore, the images were taken in lossless TIFF format; (vi) the images were visually confirmed during image analysis to ensure that the boundaries were recognized correctly and small undulations were not ignored.
図4は、サンプルのコンボリューション指数を得るための画像処理のプロセスの流れを示している。ステップ4.1において、Pt−Rh領域および酸化物領域401を含めた、サンプルの断面のSEM画像を得る。ステップ4.2では、画像のPt−Rh領域を画像全体から分離し、2値化する。ステップ4.3では、Pt−Rh領域ABCDAの周囲の長さLpおよび3つの直辺L1、L2およびL3を測定する。次に、入り組んだ接触面Lcの長さを次のように計算する:
Lc = Lp − L1 − L2 − L3
次いで、コンボリューション指数CIを次のように計算する:
CI = Lc/Ls =(Lp − L1 − L2 − L3)/L2
FIG. 4 shows the process flow of the image processing to obtain the sample convolution index. In step 4.1, an SEM image of a cross section of the sample including the Pt—Rh region and the
Lc = Lp−L1−L2−L3
The convolution index CI is then calculated as follows:
CI = Lc / Ls = (Lp−L1−L2−L3) / L2
4つの比較例のそれぞれに、さまざまな起源から得た、プラズマスプレー法によって直接堆積させたZrO2で被覆したPt−Rh金属片を評価した。図5は、本発明に従った1つの典型的なサンプルの接触面の画像を示している(E1、画像5.1Aおよび5.1Bに対応)、および4つの比較例(CE1、画像5.2Aおよび5.2Bに対応;CE2、画像5.3Aおよび5.3Bに対応;CE3、画像5.4Aおよび5.4Bに対応;およびCE4、画像5.5Aおよび5.5Bに対応)。左欄には大きい画像が含まれており(すなわち、画像5.1A、5.2A、5.3A、5.4Aおよび5.5A)、右欄には、左欄の画像に示す長方形で囲まれた領域の拡大画像が含まれている(すなわち、それぞれ、5.1A、5.2A、5.3A、5.4Aおよび5.5Aに対応する、画像5.1B、5.2B、5.3B、5.4Bおよび5.5B)。 For each of the four comparative examples, Pt—Rh metal strips coated with ZrO 2 obtained from various sources and directly deposited by plasma spraying were evaluated. FIG. 5 shows an image of the contact surface of one typical sample according to the present invention (corresponding to E1, images 5.1A and 5.1B), and four comparative examples (CE1, image 5. Corresponding to 2A and 5.2B; corresponding to CE2, images 5.3A and 5.3B; corresponding to CE3, images 5.4A and 5.4B; and corresponding to CE4, images 5.5A and 5.5B). The left column contains a large image (ie, images 5.1A, 5.2A, 5.3A, 5.4A and 5.5A), and the right column is enclosed by the rectangle shown in the image in the left column. Enlarged images of the selected regions are included (ie, images 5.1B, 5.2B, and 5.2B, corresponding to 5.1A, 5.2A, 5.3A, 5.4A, and 5.5A, respectively). 3B, 5.4B and 5.5B).
画像の分析結果を表IIにまとめた。
アルミナでコーティングしたPt−Rh金属片は、プラズマスプレー・ジルコニアでコーティングした金属片と比較して、さらに複雑な接触面を有する。 Pt-Rh metal pieces coated with alumina have a more complicated contact surface compared to metal pieces coated with plasma spray zirconia.
本発明の範囲および精神から逸脱することなく、本発明にさまざまな変更および代替がなされうることは、当業者にとって明らかであろう。よって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内にあることを条件として、本発明の変更および変形にも及ぶことが意図されている。 It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and substitutions can be made to the present invention without departing from the scope and spirit of the invention. Thus, it is intended that the present invention cover modifications and variations of this invention provided they are within the scope of the appended claims and their equivalents.
Claims (10)
(ii)前記第1の層の第1の表面に直接結合する第2の金属の酸化物を含み、前記第1の層の第1の表面の少なくとも一部を被覆する、第2の層と、
を備えた装置であって、
(A)前記第1の層と前記第2の層との接触面が、実質的に複雑に入り組んでおり、高密度であり、かつ、不規則なトポグラフィーを有し、
(B)前記第2の金属が、高温において、前記第1の金属の第1の表面に堆積する際に、前記第1の金属と合金を形成する、
装置。 (I) a first layer having a first surface comprising a first metal that is a noble metal;
(Ii) a second layer comprising an oxide of a second metal that directly bonds to the first surface of the first layer and covering at least a portion of the first surface of the first layer; ,
A device comprising:
(A) the contact surface between the first layer and the second layer is substantially intricate, has a high density, and has an irregular topography;
(B) the second metal is at a high temperature, when deposited on the first of the first surface of the metal, that form a first metal alloy,
apparatus.
ことを特徴とする請求項1記載の装置。 Before Stories second metal, Si, device according to claim 1, characterized in that it comprises at least one of Zr and Al.
前記第2の層がAl2O3から本質的になる
ことを特徴とする請求項1または2記載の装置。 The first layer comprises Pt;
The apparatus of claim 1 or 2, wherein said second layer is characterized by consisting essentially of Al 2 O 3.
(a)前記第1の金属の第1の表面の少なくとも一部に、第2の金属を含む前駆体層を提供し、ここで、前記第2の金属が、形成条件下で、前記第1の金属と合金を形成する能力を有し、前記第1の金属が貴金属であり、
(b)前記前駆体層を高温において酸化雰囲気に曝露することにより、前記第2の金属の酸化物を含む第2の層を形成する、
各工程を有してなる方法。 A method of protecting a first surface of a first layer comprising a first metal in a device from oxidation at an elevated temperature when exposed to an oxidizing atmosphere comprising:
(A) providing a precursor layer comprising a second metal on at least a portion of the first surface of the first metal, wherein the second metal is formed under the forming conditions; The first metal is a noble metal,
(B) forming a second layer containing an oxide of the second metal by exposing the precursor layer to an oxidizing atmosphere at a high temperature;
A method comprising each step.
前記第2の金属が、Al、SiおよびZrのうち少なくとも1つを含む
ことを特徴とする請求項7記載の方法。 The noble metal comprises Pt,
The method of claim 7, wherein the second metal includes at least one of Al, Si, and Zr.
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