JP2002332506A

JP2002332506A - 亀裂進展抑止機能を有する構造材料

Info

Publication number: JP2002332506A
Application number: JP2001136644A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Kanbe; 満神戸; Akira Kawasaki; 亮川崎
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2001-05-07
Filing date: 2001-05-07
Publication date: 2002-11-22
Anticipated expiration: 2021-05-07
Also published as: JP4591985B2

Abstract

(57)【要約】【課題】構造材料として良好な機械的特性の要求と、
アークの熱エネルギーに対する防護の要求を、ともに高
レベルで達成する。【解決手段】ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若し
くは双方を分散配合したものを未反応の状態で焼結した
焼結体とするか、あるいはＮｂおよびＡｌの薄板を交互
に積層して各薄板が未反応の状態で一体化されたクラッ
ド材として構成し、高速物体の衝突やアークを受けた際
に起こる発熱で局所的に瞬時にＮｂとＡｌとを反応させ
て金属間化合物を生成し、これにより亀裂などの損傷の
進展を抑止するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は構造材料に関する。
更に詳述すると、本発明は、例えばアークを受ける環境
や隕石やデブリ等の衝突を受ける環境等での使用に適し
た亀裂進展抑止機能を有する構造材料に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】重電機器部品のなかにはアークを受ける
環境で使用されるものがある。このような部品はアーク
により局所的に溶融して損傷を受けることが考えられる
ため、その対策としてアークに強いタングステンを材料
として採用している。またアークを受ける電気接点材料
としては、銅とタングステンの複合材料よりなるものが
市販されている。これは電気接点材料として、銅の高い
電気伝導度とタングステンのアークに強い特性を兼ね備
えることを狙ったものである。

【０００３】また、宇宙空間で使用される構造材料には
高速物体の衝突が予測され、これに十分耐える材料が望
まれる。例えば、宇宙空間には隕石が高速で漂ってお
り、更に地球周回軌道上には隕石の分布を上回る数のデ
ブリ（過去に打ち上げられた人工衛星などの構造物の破
片）が秒速１０〜２０ｋｍのスピードで漂っている。こ
れら隕石やデブリ等の高速物体が人工衛星やスペースス
テーションなどの宇宙構造物に衝突した場合、衝突物体
の運動エネルギーが熱エネルギーに変換されて被衝突物
を溶融させながら、クレーター状の穴を穿ちながら侵入
する。そして、衝突物の速度（ｖ）および質量（ｍ）が
大きくその運動エネルギー（ｍｖ^２／２）が大きい場合
は衝突物が被衝突物を貫通するが、逆に上記運動エネル
ギーが小さく被衝突物が十分に厚い場合は衝突物は被衝
突物の内部で停止する。一般に、構造材料は概して強度
の高いものほど衝撃荷重に弱く、亀裂が入ると一挙に脆
性破壊する傾向がある。また、これとは対照的な材料と
して、超塑性を示す金属間化合物の存在が知られている
が、これらは逆に構造材料としての特性は劣っている。
そこで、宇宙構造物においては、脆性破壊し難い材料に
よって衝撃荷重に隕石およびデブリが貫通しないように
十分な強度（厚さ）の覆いを備えることが要求されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、重電機
器部品の材料としてのタングステンは加工性が悪く、し
かも重いなどの欠点がある。また、電気接点材料として
アークに強い銅とタングステンの複合材料も、同様に、
加工性の悪化や重量増加などの欠点を伴うものである。

【０００５】また、人工衛星やスペースステーションな
どの宇宙構造物材料においては、重量の厳しい制約を受
けるため、隕石およびデブリが貫通しないように十分な
強度（厚さ）の覆いを構成することが難しい問題を有し
ている。

【０００６】本発明は、構造材料として良好な機械的特
性（軽量、高強度、良好な加工性など）の要求と、衝突
物の運動エネルギーから変換された熱エネルギーやアー
クの熱エネルギーなどからの防護の要求を、ともに高レ
ベルで達成できる亀裂進展抑止機能を有する構造材料を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明にかかる請求項１記載の構造材料は、Ｎｂお
よびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合
し、かつ前記ＮｂおよびＡｌが未反応の状態で焼結され
た焼結体であることを特徴とするものである。Ｎｂおよ
びＡｌの各粉末の粒径は、接触面積を増やすために、で
きるだけ微粒であることが好ましいが、より好ましくは
０．１μｍ〜１μｍ程度である。また、ＮｂおよびＡｌ
の各繊維も同様に、直径は、接触面積を増やすためには
できるだけ細いことが好ましいが、より好ましくは０．
１μｍ〜１μｍ程度であり、長さは、補強材として機能
するためにある程度の長さを有していることが好まし
く、例えば数μｍ〜数ｍｍ程度である。

【０００８】この構造材料を用いて構成された構造物
は、通常時は、高強度材としてのＮｂと軽量構造材とし
てのＡｌとの複合材としての特性をもつが、高速物体の
衝突あるいはアークを受けることなどで局所的・瞬間的
に加熱されると、その部分でＮｂとＡｌが反応して、例
えばＮｂ_３ＡｌやＮｂＡｌ_３等の硬くて耐熱性に優れる
ＮｂとＡｌの金属間化合物を局所的に生成することにな
る。このＮｂ−Ａｌ金属間化合物は、アークによる損傷
の深さを低減させ、高速衝突物体の貫通深さを低減させ
る。

【０００９】また、請求項２記載の構造材料は、Ｎｂお
よびＡｌの薄板を交互に積層し、かつ前記ＮｂおよびＡ
ｌの各薄板が未反応の状態で一体化されたクラッド材で
あることを特徴とする。この場合にも、このクラッド材
から成る構造材料を用いて構成された構造物は、通常時
は、高強度材としてのＮｂと軽量構造材としてのＡｌと
の複合材としての特性をもつが、高速物体の衝突あるい
はアークを受けることなどで局所的・瞬間的に加熱され
ると、その部分でＮｂとＡｌが反応して金属間化合物を
局所的に生成し、アークによる損傷の深さを低減させた
り、高速衝突物体の貫通深さを低減させる。しかも、薄
板を積層することで製造されるため、大面積の板材を容
易に構成できる。ここで、ＮｂおよびＡｌの各薄板は、
粉末や繊維を焼結する場合と同様に、ＮｂとＡｌの接触
面積と接触機会を増やすために、製造可能な範囲ででき
るだけ薄くすることが好ましく、例えば０．１ｍｍ以
下、より好ましくは数１０μｍオーダーである。

【００１０】また、クラッド材を構成するＮｂおよびＡ
ｌの薄板はその互いに接触する面の少なくともいずれか
一方が粗面であることが好ましい。この場合には、Ｎｂ
薄板とＡｌ薄板との接触面積を増大させて、高速物体の
衝突などで局所的・瞬間的に加熱された際の反応を効果
的にして金属間化合物の生成を活発にさせ、亀裂進展機
能を高めうる。薄板の接触面の粗面化は、梨地処理のよ
うなものでも良いし、薄板そのものを多孔質に形成する
ことによっても実現できる。

【００１１】また、本発明の構造材料は、ＮｂおよびＡ
ｌの薄板を交互に積層してこれらが互いに未反応の状態
で一体化されたクラッド材の層を複数層設け、該クラッ
ド材の層と層の間あるいはクラッド材の層を挟むように
して、ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方
を分散配合してこれらが互いに未反応の状態で焼結され
ている焼結体の層を介在させあるいはクラッド材の層を
挟むように配置されて一体化されていることを特徴とす
る。クラッド材間に充填される焼結体の層は、クラッド
材間の隙間の全域に充填されずに部分的であっても良い
し、全域に充填されても良い。いずれの場合にも、Ｎｂ
およびＡｌの薄板だけで構成する場合よりも容易に厚み
のある板状構造材料を製造できる。

【００１２】また、本発明の構造材料は、外殻を成す薄
板の間に、ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは
双方を分散配合してこれらが互いに未反応の状態で焼結
されている焼結体が充填されて一体化されることもあ
る。この場合には、外殻を成す薄板はＮｂあるいはＡｌ
の板であっても良いが、場合によってはその他の金属板
あるいはカーボングラファイト板などでも良い。

【００１３】更に、本発明の構造材料は、上述のＮｂお
よびＡｌの焼結体若しくはクラッド材で構成されるばか
りではなく、上述のＮｂおよびＡｌの焼結体の層若しく
はクラッド材の層として構造材料の表面あるいは内部に
有するようにしても良い。即ち、構造材料の全ての部分
をＮｂとＡｌの焼結体あるいはクラッド材で形成する必
要はなく、一部分をＮｂとＡｌの焼結体あるいはクラッ
ド材の層にしても良い。この場合には、高速物体やアー
クはＮｂとＡｌの焼結体層あるいはクラッド材層に到達
したところで、それらの影響をとどめることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
最良の形態に基づいて詳細に説明する。

【００１５】図１に、本発明の構造材料の実施形態の一
例を示す。この構造材料１は、ＮｂおよびＡｌの各粉末
または繊維若しくは双方を分散配合し、かつＮｂおよび
Ａｌが未反応の状態で焼結された焼結体によって構成さ
れる。

【００１６】ＮｂおよびＡｌの各粉末の粒径は、アーク
や高速物体の衝突などで外から衝撃的なエネルギ（以
下、衝撃エネルギと呼ぶ）を局所的に受けて瞬間的に加
熱されたときに、瞬時に反応して金属間化合物を生成で
きるものであれば特に制限されるものではないが、迅速
な反応を可能にする観点で接触面積を考慮すればより微
粒であることが好ましく、例えば０．１〜１μｍ程度が
好ましい。粒径が０．１μｍよりも小さい場合には、粉
末の製造コストが高くなり過ぎると考えられるからであ
る。したがって、製造コストを考慮しない場合等には粒
径が０．１μｍよりも小さい粉末を使用しても良い。ま
た、粒径を１μｍ以下とするのは、粒径が１μｍよりも
大きくなるとＮｂ粉末とＡｌ粉末の接触面積が減少して
Ｎｂ_３ＡｌやＮｂＡｌ_３などの金属間化合物を瞬時に生
成するのが困難になると考えられるからである。これら
に加え、粒径が０．１〜１μｍ程度の粉末は粉末冶金法
によって焼結体を製造するのに適しているからである。

【００１７】Ｎｂ粉末とＡｌ粉末との配合比率は、構造
材料の用途に応じて適宜選定される。例えば、軽量で高
熱伝導率であるというＡｌの特性をより強調したい場合
にはＡｌ粉末の比率を高めれば良く、高耐熱性であると
いうＮｂの特性を強調したい場合にはＮｂ粉末の比率を
高めればよい。具体的には、Ｎｂ粉末とＡｌ粉末の配合
比率は、Ｎｂ粉末２０〜８０ｖｏｌ％とＡｌ粉末２０〜
８０ｖｏｌ％の範囲で選択されることが好ましく、より
好ましくは各５０％ずつの体積比、若しくはＮｂ粉末７
０ｖｏｌ％とＡｌ粉末３０ｖｏｌ％との混合比ないし、
Ｎｂ粉末３０ｖｏｌ％とＡｌ粉末７０ｖｏｌ％との混合
比で調整された場合に良好な亀裂進展抑止機能を有する
構造材料が得られた。

【００１８】これらＮｂ粉末とＡｌ粉末とは偏り無く分
散されるように混合された状態で、型あるいは定盤など
を使って所望の形状に圧縮成形されてＮｂとＡｌとが未
反応の状態で焼結される。例えば、スパークプラズマ焼
結（ＳＰＳ）法によって製造される。このスパークプラ
ズマ焼結は、ＮｂおよびＡｌを粉末または繊維の状態で
分散混合させたものをカーボングラファイトのダイスに
詰めて圧縮成形し、カーボン型に通電することによっ
て、圧粉体（ＮｂおよびＡｌの粉末または繊維）に直接
電圧を加え、粉体粒子間に起きる放電プラズマで粒子表
面を活性化し、更に通電加熱して焼結する方法である。
これにより、ＮｂおよびＡｌが未反応の状態で焼結する
ことにより一体化する。また、熱間等方圧成形（ＨＩ
Ｐ）やホットプレスなどで焼結させても良い。これら粉
末の圧縮成形体を焼結する温度としては、粉末を焼結す
ることができ、且つＮｂとＡｌを反応させることがない
温度であれば特に制限されないが、例えばＡｌの融点よ
りも若干低い６００℃程度が考えられる。この温度であ
れば、ＮｂとＡｌが反応して金属間化合物を生成するこ
とはない。また、焼結時の雰囲気は真空雰囲気であるこ
とが好ましい。また、圧粉体の成形と焼結とは、圧粉体
を成形した後に焼結を行っても良く、あるいは圧縮成形
と焼結を同時進行させても良い。

【００１９】以上のように、ＮｂおよびＡｌが未反応状
態で焼結される構造材料は、軽量構造材としてのＡｌと
高強度材としてのＮｂからなる複合材としての特性を併
せ持ち、軽量、高強度、加工性に優れるなどの機械的特
性に優れている。したがって、通常の焼結金属と同様
に、所望の形状・構造に加工され、様々な分野での構造
材料として利用可能である。しかも、一旦衝撃的エネル
ギを外部から受けると、その部分のＮｂとＡｌが瞬間的
に反応してＮｂ_３ＡｌやＮｂＡｌ_３などの硬くて耐熱性
のある金属間化合物を局所的に生成するため、全体とし
て構造材料の強度を維持したまま衝撃的エネルギに起因
する亀裂などが進展するのを抑止することができる。

【００２０】したがって、この構造材料は、例えばアー
クが飛ぶ電気接点への使用に適している。電気接点にア
ークが飛ぶと、アークの熱エネルギーによって電気接点
が局所的に溶融する。しかしながら、本発明の亀裂進展
抑止機能を有する構造材料を使用することで、図１に示
すように、アークを受けた部位の局所発熱によってＮｂ
とＡｌが反応しＮｂ_３ＡｌやＮｂＡｌ_３などの金属間化
合物が瞬時に生成される。Ｎｂ_３ＡｌやＮｂＡｌ_３は耐
熱性に優れているので、アークの熱エネルギーによる溶
融損傷の深さを低減させることができる。一方、Ｎｂ_３
ＡｌやＮｂＡｌ _３などの金属間化合物は溶融損傷が進展
する部位にのみ形成され、その他のアークを受けていな
い部位には形成されない。即ち、金属間化合物が形成さ
れるのは電気接点のごく一部分に過ぎず、大部分の場所
の機械的特性をそのまま維持することができる。

【００２１】また、この亀裂進展抑止機能を有する構造
材料は、例えば人工衛星やスペースステーションなどの
保護壁への使用に適している。保護壁に隕石やデブリが
衝突すると、その損傷による亀裂が進展して深い穴をあ
けたり貫通したりする。そして、このとき、通常の構造
材料であれば、楔状の亀裂の進展が起こるのが一般的で
ある。しかしながら、本発明の亀裂進展抑止機能を有す
る構造材料を使用することで、衝突部分の局所発熱によ
ってＮｂとＡｌが反応してＮｂ_３ＡｌやＮｂＡｌ_３など
の金属間化合物が瞬時に生成される。Ｎｂ_３ＡｌやＮｂ
Ａｌ_３は硬いことから衝突の損傷による亀裂の進展を抑
え、深い穴への発展を防止して貫通を防ぐことができ
る。一方、Ｎｂ_３ＡｌやＮｂＡｌ_３などの金属間化合物
は亀裂が進展する部分にのみ形成され、その他の隕石等
が衝突していない部分には形成されない。即ち、靱性の
劣る金属間化合物が形成されるのは保護壁のごく一部の
部位に過ぎず、その他の大部分の部位の機械的特性をそ
のまま維持することができる。

【００２２】なお、上述の形態は本発明の好適な形態の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、上述の説明では、原料としてＮｂおよびＡ
ｌの粉末を使用していたが、粉末に限るものではない。
例えばＮｂおよびＡｌの繊維を使用しても良い。この場
合、ＮｂおよびＡｌの繊維は補強材としても機能する。
したがって、補強材としての効果を考慮すると、あまり
短過ぎれば粉末と同じになって繊維形態をとる意義を失
い、長過ぎると取り扱い難くなる。そこで、Ｎｂおよび
Ａｌの繊維の大きさは、遮蔽しようとする衝撃的エネル
ギを受けたときに瞬時にＮｂとＡｌとが反応して金属間
化合物を生成できるものであれば良く、特に制限される
ものではないが、例えば、長さ数μｍ〜数ｍｍ、直径
０．１〜１μｍ程度とすることが好ましい。繊維の直径
を０．１〜１μｍ程度とするのは、このサイズよりも太
くなるとＮｂ繊維とＡｌ繊維の接触面積が減少してＮｂ
_３ＡｌやＮｂＡｌ_３などの金属間化合物を瞬時に生成さ
せ難くなると考えられるからであり、０．１μｍより細
くしようとすると繊維の製造コストが高くなり過ぎると
考えられるからである。これらに加え、上述の数μｍの
短繊維から数ｍｍの長繊維の場合には粉末冶金法によっ
て焼結体を製造するのに適しているからである。

【００２３】また、ＮｂおよびＡｌとして、粉末状のも
のと短繊維あるいは長繊維状のものとを混合して使用し
ても良いことは勿論である。

【００２４】また、上述の実施形態では主にＮｂとＡｌ
の粉末や繊維あるいはこれらを混合したものから成る焼
結体で構成される構造材料について説明したが、このよ
うな焼結体に限るものではない。例えば、本発明の構造
材料は、ＮｂおよびＡｌの薄板を交互に積層し、かつＮ
ｂおよびＡｌの各薄板が未反応の状態で一体化されたク
ラッド材で構成されることもある。

【００２５】原料となるＮｂ薄板およびＡｌ薄板の厚さ
としては、遮蔽しようとする衝撃的エネルギを受けて瞬
時に反応して金属間化合物を生成できるものであれば特
に制限されるものではないが、迅速な反応を可能にする
観点からはできるだけ薄いことが好ましい。例えば０．
１ｍｍ程度以下のものの使用が好ましい。各薄板の厚さ
が０．１ｍｍよりも厚くなると、反応に寄与しないＮｂ
とＡｌの割合が多くなり過ぎ、Ｎｂ_３ＡｌやＮｂＡｌ_３
などの金属間化合物の生成が不十分になると考えられる
からである。また、数十μｍないし数μｍの箔とも呼ば
れる薄さでは製造コストが高くなり過ぎるが、コスト的
な問題を解決できるのであればこのような薄さの方が好
ましい。

【００２６】このＮｂ薄板とＡｌ薄板とを積層しクラッ
ド材とするには、例えばホットプレス（hot pressある
いはhot plate press）を利用して実施することができ
る。ホットプレスは、板材などを熱板間に差し入れ、可
動上盤を液圧などにより作動させて加熱圧縮する機械で
ある。そこで、ＮｂおよびＡｌの例えば０．１ｍｍ程度
の薄板を交互に積層し、６００℃にて真空雰囲気でホッ
トプレスすることにより、ＮｂとＡｌの各薄板が未反応
の状態で加熱されながら加圧されて一体化されクラッド
材を形成することができる。

【００２７】ここで、Ｎｂ薄板とＡｌ薄板のどちらか一
方または双方の接合される面を粗くしておくことが好ま
しい。この場合には、Ｎｂ薄板とＡｌ薄板との接触面積
を増加させ、より効率的にＮｂとＡｌの共晶反応を行わ
せることができ、亀裂進展機能を高めうる。尚、薄板の
接触面の粗面化は、梨地処理のようなものでも良いし、
薄板そのものを多孔質に形成することによっても実現で
きる。

【００２８】このように、ＮｂおよびＡｌの薄板を積層
したクラッド材として製造する場合には、大面積の亀裂
進展抑止機能を有する構造材料を製作するのが容易とな
る。

【００２９】また、亀裂進展抑止機能を有する構造材料
の全体を焼結体やクラッド材から成るＮｂＡｌ相で形成
する必要はなく、ＮｂＡｌ相の層を部分的に備える亀裂
進展抑止機能を有する構造材料であっても良いし、Ｎｂ
Ａｌ相の焼結体とクラッド材の複合体であっても良い。
例えば、図２（Ａ）に示すように、本発明の構造材料１
は、外殻を成す薄板１２，１２の間に、ＮｂおよびＡｌ
の各粉末または繊維若しくは双方を分散配合してこれら
が互いに未反応の状態で焼結されている焼結体１１が充
填されて一体化されることもある。この場合には、外殻
を成す薄板１２，１２はＮｂあるいはＡｌの板であって
も良いが、場合によってはその他の金属板あるいはカー
ボングラファイト板などでも良い。カーボンはＮｂやＡ
ｌと反応し難く、また軽くて丈夫であるので外殻薄板１
２として適している。また、外殻薄板１２の形状は図示
のような平板形状に限るものではなく、製品形態に応じ
た様々な形状を取りうることは言うまでもなく、それら
の間にＮｂやＡｌの粉末や繊維を充填できるものであれ
ば良い。この構造材料１は、例えば、ＮｂおよびＡｌを
粉末または繊維の状態でよく分散されるように混合して
外殻薄板１２の間に充填し、６００℃程度にて真空雰囲
気で外殻薄板１２ごとホットプレスなどで加圧して、Ｎ
ｂおよびＡｌが未反応の状態で加熱しながら加圧成形す
ることで製造できる。また、あらかじめ焼結されたＮｂ
とＡｌの未反応焼結体を２枚の外殻薄板１２の間に装入
してホットプレスすることで一体化しても良い。

【００３０】また、図２（Ｂ）に示すように、Ｎｂ薄板
１３とＡｌ薄板１４とを複数枚積層して形成したクラッ
ド材１５を外殻薄板１２とし、この外殻薄板１２の間
に、ＮｂおよびＡｌの粉末または繊維を混合して充填
し、ＮｂとＡｌが反応しない温度で加熱しながら加圧成
形して焼結体１１の層を設けても良い。例えば、厚板状
の亀裂進展抑止機能を有する構造材料等を製造する場合
には、極めて薄い箔を積層する方法では積層する箔の枚
数が多大になるので現実的ではないが、間にＮｂおよび
Ａｌの粉末または繊維を混合して充填することで、厚板
状の亀裂進展抑止機能を有する構造材料の製造が容易に
なる。

【００３１】また、本発明の構造材料１は、図２（Ｃ）
に示すように、ＮｂおよびＡｌの薄板を交互に積層して
これらが互いに未反応の状態で一体化されたクラッド材
１５の層を複数層設け、該クラッド材１５の層と層の間
あるいはクラッド材１５の層を挟むようにして、Ｎｂお
よびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合し
てこれらが互いに未反応の状態で焼結されている焼結体
１１の層を介在させあるいはクラッド材１５の層を挟む
ように配置されて一体化されるようにしても良い。クラ
ッド材１５の間に充填される焼結体１１の層は、クラッ
ド材１５の間の隙間の全域に充填されずに部分的であっ
ても良いし、全域に充填されても良い。いずれの場合に
も、ＮｂおよびＡｌの薄板だけで構成する場合よりも容
易に厚みのある板状構造材料を製造できる。

【００３２】更に、本発明の構造材料１は、図２（Ｄ）
に示すように、上述のＮｂおよびＡｌの焼結体１１若し
くはクラッド材１５を構造材料の層として表面あるいは
内部に有するようにしても良い。即ち、構造材料１の全
ての部分をＮｂとＡｌの焼結体１１あるいはクラッド材
１５で形成する必要はなく、一部分をＮｂとＡｌの焼結
体１１あるいはクラッド材１５の層にしても良い。そし
て、ベースとなる構造材料の母材部分１６はＮｂやＡｌ
以外の材質からなる構造材採用される。この場合には、
高速物体やアークはＮｂとＡｌの焼結体層あるいはクラ
ッド材層に到達したところで、それらの影響をとどめる
ことができる。

【００３３】また、上述の実施形態では、説明の便宜
上、本発明の構造材料１の形状については代表的に板材
やブロックを例に挙げて説明したが、ＮｂおよびＡｌの
粉末または繊維を圧縮成形して焼結する場合や、Ｎｂお
よびＡｌの箔を積層して加圧成形する場合に、製品とし
ての形状に成形しても良いことは言うまでもない。即
ち、亀裂進展抑止機能を有する構造材料として一次成形
を行った後に二次成形を行って製品形状に仕上げるので
はなく、亀裂進展抑止機能を有する構造材料を直接製品
形状に成形するようにしても良い。この場合には、加工
工数を少なくすることができる。

【００３４】

【実施例】本発明の亀裂進展抑止機能を有する構造材料
を試作してその効果を確認するための実験を行った。こ
の亀裂進展抑止機能を有する構造材料は、通常時は軽量
構造材としてのＡｌと高強度のＮｂから成る複合材とし
ての特性をもつが、高速物体の衝突およびアークなどに
よる局所的・瞬間的加熱に対しては１９４０℃にてＮｂ
_３Ａｌ金属間化合物を生成することが期待される。この
金属間化合物の融点は２０６０℃であり、高融点であ
る。従って材料のダメージを低減する作用を発揮するこ
とが期待される。そこで、Ａｌ（30vol%）−Ｎｂ（70vo
l%）の焼結体と、Ａｌ（50vol%）−Ｎｂ（50vol%）の焼
結体を以下の通り作成して、本発明の効果を確認した。

【００３５】［焼結体の試作］先ず、Ｎｂ−Ａｌ焼結体
を次の焼結条件で試作した。［焼結方法］原料：Ａｌ−３０ｖｏｌ％Ｎｂ粉末（サンプル粉体１）Ａｌ−５０ｖｏｌ％Ｎｂ粉末（サンプル粉体２）ホットプレス条件：温度：６００℃ 雰囲気：真空（５×１０^−２Ｔｏｒｒ）評価方法：顕微鏡組織観察Ｘ線回折［焼結結果］試作した焼結体（試験片１，２）をＥＰＭ
Ａ（Ｘ線マイクロアナライザー）により解析した。その
組成解析結果を図３に示す。焼結後の組織が単相のＮｂ
およびＡｌから構成されていることが確認できた。

【００３６】［レーザー照射実験］次に、下記の条件で
レーザー照射実験を行った。なお、レーザーを使用した
のは、アークおよび高速衝突による局所加熱を簡易的に
模擬するためである。［照射条件］試験片成分比：Ａｌ−３０ｖｏｌ％Ｎｂ焼結体（試験片１）Ａｌ−５０ｖｏｌ％Ｎｂ焼結体（試験片２）試験片寸法：１０×１０×５ｍｍレーザー線源：ＹＡＧレーザーレーザー線強度：３０〜４０Ａ照射時間：１〜８ｓｅｃ評価方法：ＥＰＭＡＸ線回折

【００３７】［レーザー試験後試験片の観察結果］レー
ザー照射後の試験片の外観を図４に示す。レーザー照射
部には直径２ｍｍ程度の溶融痕が生じた。レーザー照射
の最中に、Ａｌの蒸発と思われる白い煙が見られ、照射
後の溶融痕周辺に蒸発した痕跡が残されている。このよ
うな現象から、レーザービームが当たった局部領域では
瞬間的にＡｌの蒸発温度である約２４７０℃に達したと
推定できる。

【００３８】図５に電流４０Ａ、２秒間レーザ照射後の
溶融ゾーンを拡大して示す。レーザー照射後の溶融ゾー
ンは、本来のＮｂ−Ａｌ焼結体の表面に見られない金属
の光沢を呈している。

【００３９】図１に溶融ゾーン近傍の断面組織写真を示
す。この写真には半円状（実際には半球状）の凝固組織
が認められる。半球状になる理由は、無限厚さの板の表
面に熱源を瞬間的に与えた場合の非定常熱伝導モデルの
等温面に合致するためと考えられる。凝固組織の周りに
は大小の空洞が存在するが、これは照射時の加熱により
Ａｌ相が蒸発したことによる多孔質組織と考えられる。
半球状の溶融ゾーン２の周辺部には、これを包むように
球面状の亀裂３が発生した。この亀裂３は、Ａｌが蒸発
して溶融ゾーン２の体積が減少したために生じたと推定
される。この亀裂面に沿って、固くて耐熱性の高い金属
間化合物４の層、即ちＮｂ_３Ａｌ金属間化合物（融点２
０６０℃）およびＮｂＡｌ_３金属間化合物（融点１６８
０℃）を検出した。通常の部材が高速物体の衝突を受け
た場合には、くさび状の亀裂が進展することが一般的で
ある。しかし本発明の亀裂進展抑止機能を有する構造材
料では、上述の固い球面状の金属間化合物４が瞬時に生
成し、これが応力集中を防ぎ亀裂３が亀裂進展抑止機能
を有する構造材料に深く進展することを妨げる効果を示
唆している。またＡｌの蒸発により衝突時の発熱が効果
的に除去され、さらに蒸発の結果できる球面状亀裂３の
ために、発熱部から亀裂進展抑止機能を有する構造材料
本体に熱が伝わりにくくなって、溶融の進展が抑止され
る。本亀裂進展抑止機能を有する構造材料では以上の一
連の現象により、亀裂進展抑止機能が狙い通りに発揮さ
れると考えられる。

【００４０】上記亀裂３およびその周辺の微細組織につ
いての観察により、溶融ゾーン２および球面状亀裂３の
近傍で共晶組織の特徴を有する樹枝晶が確認できた（図
６）。このような共晶組織は照射される前には存在して
いない。従ってレーザー照射部においてＮｂとＡｌの共
晶温度（６６０℃）以上の高温に達し、液相組織が再結
晶したと思われる。一方、半球状の溶融ゾーン２はレー
ザービームの照射時間に比例して拡大すると推定した
が、実際の照射痕跡を比較したところ、照射時間の増加
に伴う溶融ゾーン２の拡大は顕著ではない。この理由と
しては、レーザービームの熱エネルギーがＡｌの蒸発に
消費されると共に、焼結材料のＮｂ含有量よりＮｂリッ
チな金属間化合物相の生成を誘発するための変態エネル
ギーにも消費されると考えられる。

【００４１】［分析結果］レーザ照射後の試料のＥＰＭ
Ａ解析結果を図７（試験片２）および図８（試験片１）
に示す。溶融ゾーンの中で金属の光沢を呈する部分のＡ
ｌの含有量が約４ｗｔ％と異常に減少していることが分
かった。これはレーザー照射の最中にＡｌの蒸発と思わ
れる白い煙が見られ、照射後の溶融痕周辺にＡｌが蒸発
した痕跡が残されている現象と符合する。すなわち半球
状溶融ゾーンの中心部では、レーザ照射時にＡｌの蒸発
温度である約２４７０℃に達したとほぼ断定できる。一
方Ｎｂの融点は２４６８℃であるため、この温度におい
てＮｂが溶解され、金属間化合物が形成できると考えら
れる。さらに溶融Ｎｂと樹脂晶の間の狭い球面状領域に
は約１４ｗｔ％および５０ｗｔ％Ａｌの相が存在するこ
とがＥＰＭＡの解析で明らかになった。Ｎｂ−Ａｌの状
態図（図９）ではＮｂ_３ＡｌおよびＮｂＡｌ_３が各々１
４ｗｔ％および４７ｗｔ％Ａｌを有する。従ってレーザ
ー照射によってＮｂ_３ＡｌおよびＮｂＡｌ_３金属間化合
物が生成したと考えられる。

【００４２】一方、レーザ照射と比較するため、赤外線
ランプによって焼結材料全体を瞬間的に加熱する実験を
行った。本実験の温度プログラムおよび加熱後のＮｂＡ
ｌ試験片外観を光学顕微鏡で観察した。ランプ加熱後に
広範囲で焼結組織と異なる溶融相が見られ、高温による
焼結相の溶解および相変態の可能性が推定される。ラン
プ加熱後の試料のＥＰＭＡ解析の結果、ＮｂＡｌ_３の組
成に非常に近い４４．５ｗｔ％Ａｌを有する相であるこ
とが分かった。

【００４３】以上のレーザ照射およびランプ加熱による
熱衝撃試験の結果、高温熱源によるＮｂＡｌ焼結体の相
転移が可能であることが確認できた。またレーザー照射
実験により、本材料の亀裂進展抑止機能が狙い通りに発
揮されると考えられることが確認できた。

【００４４】上述の実験に基づき、構造材料の亀裂進展
抑止機能として、図１０に示すモデルおよび表１に示す
エネルギーバランスを推定した。本モデルは今後、本材
料の設計・評価を行う際の解析コードの開発に有用であ
る。

【００４５】

【表１】以上より、次の結論を得た。ＮｂおよびＡｌの粉末から
なる焼結体につきレーザー照射実験を行い、Ｎｂ_３Ａｌ
およびＮｂＡｌ_３金属間化合物に相当する組成の生成を
確認した。半球状の溶融ゾーン周辺部には、これを包む
ように球面状の亀裂が認められた。この亀裂はＡｌ相の
蒸発にともなう溶融ゾーンの体積減少に起因すると考え
られる。この球面状亀裂の生成は、応力集中を防ぎ亀裂
が材料本体に深く進展することを防げる効果を示唆して
おり、亀裂進展抑止機能が狙い通り発揮されると考えら
れる。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の構造材料によると、通常時は、高強度材としてのＮｂ
と軽量構造材としてのＡｌとの複合材としての特性を併
せもつが、高速物体の衝突あるいはアークを受けること
などで局所的・瞬間的に加熱されると、その部分だけで
ＮｂとＡｌが反応して、例えばＮｂ_３ＡｌやＮｂＡｌ_３
等の硬くて耐熱性に優れるＮｂとＡｌの金属間化合物を
局所的に生成することになるので、構造材料として良好
な機械的特性（軽量、高強度、良好な加工性など）を有
しながら、高速物体の衝突やアークなどによって受ける
衝撃的エネルギーに対しても防護として機能することが
できる。Ｎｂ−Ａｌ金属間化合物は硬度が高くて耐熱性
に優れると共に球面状に生成されてその周りに球面状亀
裂が形成されて熱部から材料本体に熱が伝わりにくくな
っているので、アークによる損傷の深さを低減させ、高
速衝突物体の貫通深さを低減させ、亀裂の進展を抑止す
ることができる。

【００４７】また、請求項１記載の発明の場合、焼結体
によって構成されるため、所望とする形状・構造に容易
に成形できる。更に、請求項２記載の構造材料による
と、ＮｂとＡｌの薄板を積層することで製造されるクラ
ッド材で構成されているので、大面積の板材を容易に構
成できる。

【００４８】また、構造材料の一部分だけをＮｂとＡｌ
の焼結体あるいはクラッド材の層にした請求項３記載の
発明によると、高速物体やアークはＮｂとＡｌの焼結体
層あるいはクラッド材層に到達したところで、それらの
影響をとどめることができる。

【００４９】また、請求項４記載の構造材料によると、
Ｎｂ薄板とＡｌ薄板との接触面積を増大させて、高速物
体の衝突などで局所的・瞬間的に加熱された際の反応を
効果的にして金属間化合物の生成を活発にさせ、亀裂進
展機能を高めうる。

【００５０】また、請求項５記載の構造材料によると、
ＮｂおよびＡｌの薄板だけで構成する場合よりも容易に
厚みのある板状構造材料を製造できる。

【００５１】また、請求項５記載の構造材料によると、
クラッド材の層を焼結体の層で部分的に支持しているの
で、ＮｂおよびＡｌの薄板だけで構成する場合よりも容
易に厚みのある板状構造材料を比較的軽量に製造でき
る。

【００５２】更に、請求項７の構造材料によると、外殻
を成す薄板としてＮｂあるいはＡｌと反応し難い材質を
採用するなど、必要に応じた選択が可能となるので、構
造材料の用途に限定を受けることが少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構造材料の実施形態の一例を示し、Ｎ
ｂ−Ａｌサンプルにレーザーを照射することで形成した
溶融領域を断面した顕微鏡組織写真である。

【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の構造材料の４つの実
施形態を示す斜視図である。

【図３】レーザー照射前のＮｂ−ＡｌサンプルのＥＰＭ
Ａ解析の結果を示す図である。

【図４】レーザー照射後のＮｂ−Ａｌサンプルを示す写
真である。

【図５】レーザー照射後のＮｂ−Ａｌサンプルの溶融領
域を拡大して示す写真である。

【図６】レーザー照射後のＮｂ−Ａｌサンプルの溶融領
域の組織を示す写真である。

【図７】レーザー照射後のＮｂ−Ａｌサンプル（Ａｌ−
５０ｗｔ％Ｎｂ）のＥＰＭＡ解析の結果を示す図であ
る。

【図８】レーザー照射後のＮｂ−Ａｌサンプル（Ａｌ−
３０ｗｔ％Ｎｂ）のＥＰＭＡ解析の結果を示す図であ
る。

【図９】Ｎｂ−Ａｌの２成分系状態図である。

【図１０】Ｎｂ−Ａｌ系材料の亀裂進展抑止モデルを示
す図である。

【符号の説明】

１構造材料２溶融ゾーン３亀裂４金属間化合物１１Ｎｂ−Ａｌの焼結体１２外殻薄板１３Ｎｂの薄板１４Ａｌの薄板１５Ｎｂ−Ａｌのクラッド材

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若し
くは双方を分散配合し、かつ前記ＮｂおよびＡｌが未反
応の状態で焼結された焼結体であることを特徴とする構
造材料。
【請求項２】ＮｂおよびＡｌの薄板を交互に積層し、
かつ前記ＮｂおよびＡｌの各薄板が未反応の状態で一体
化されたクラッド材であることを特徴とする構造材料。
【請求項３】請求項１記載のＮｂおよびＡｌの焼結体
の層若しくは請求項２記載のクラッド材の層を表面ある
いは内部に有することを特徴とする構造材料。
【請求項４】前記ＮｂおよびＡｌの薄板の互いに接触
する面の少なくともいずれか一方が粗面であることを特
徴とする請求項２記載の構造材料。
【請求項５】ＮｂおよびＡｌの薄板を交互に積層して
これらが互いに未反応の状態で一体化されたクラッド材
の層を複数層設け、該クラッド材の層と層の間あるいは
前記クラッド材の層を挟むようにして、ＮｂおよびＡｌ
の各粉末または繊維若しくは双方を分散配合してこれら
が互いに未反応の状態で焼結されている焼結体の層を介
在させあるいは前記クラッド材の層を挟むように配置さ
れて一体化されていることを特徴とする構造材料。
【請求項６】前記クラッド材の層の間の前記焼結体の
層は、前記クラッド材間の隙間の全域に充填されずに部
分的であることを特徴とする請求項５記載の構造材料。
【請求項７】外殻を成す薄板の間に、ＮｂおよびＡｌ
の各粉末または繊維若しくは双方を分散配合してこれら
が互いに未反応の状態で焼結されている焼結体が充填さ
れて一体化されていることを特徴とする構造材料。