JP2004307883A - 複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型・複雑形状でありながらも緻密な微構造を有する複合材料を、簡易な装置を用いて製造することができる複合材料の製造方法を提供する。
【解決手段】反応容器１の中に所定の混合材料２を充填するとともに、その空隙３中に第一のＡｌ含有金属４を溶融含浸させて、マトリックス６中に分散材７を分散させた複合材料５を製造する方法である。反応容器１として、容器要素１ａ，１ｂが合体することによって混合材料２が充填される空間を形成するように構成され、その上部に孔１０が形成されてなる反応容器１を用い、混合材料２を空間形成領域２５内に充填し、孔１０の形成部分に第一のＡｌ含有金属４を載置し、反応容器１を所定の温度で予熱処理した後に所定の昇温速度で加熱して、孔１０を経由して第一のＡｌ含有金属４を空隙３中に溶融含浸させて複合材料５を得る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マトリックス中に分散材を分散させた複合材料の製造方法に関し、更に詳しくは、大型・複雑形状でありながらも緻密な微構造を有する複合材料を、簡易な装置を用いて製造することができる複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】複合材料とは、複数素材を巨視的に混合した組成集合体であり、各素材の持つ機械特性を相補的に利用して、単独素材では実現できなかった特性発現を可能にしたものである。基本的には、材料と材料を組み合わせる技術手法であり、マトリックスと強化材（分散材）、使用目的、又はコスト等により、種々の組み合わせが存在する。
【０００３】その中でも金属基複合材料（ＭＭＣｓ：Ｍｅｔａｌ−Ｍａｔｒｉｘ−Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）は、セラミックスを強化材として金属材料（Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｓｉ等）を複合化することによる、セラミックスと金属と両方の特性を兼ね備えた材料である。そのため、例えば近年、環境問題に関連した自動車関連分野や、各種装置部材（半導体、ディスプレイ、精密機械等）の軽量化・高速化・高効率化が求められている製造装置関連分野や、半導体素子の冷却（放熱）を行う電子部品関連分野等において、金属基複合材料に対して非常に注目されているものである。また、金属間化合物基複合材料（ＩＭＣｓ：Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ−Ｍａｔｒｉｘ−Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）は、セラミックスを強化材として金属間化合物（Ｔｉ−Ａｌ系、Ｎｉ−Ａｌ系等）を複合化することにより、特に金属材料では実現が困難な温度域での耐熱材料として発電・宇宙・航空分野等において注目されている材料である。これらのことから、両複合材料共に、セラミックス材料や金属材料では素材として適用が難しい分野において、分散相とマトリックス相の種類・相比等を変化させることにより所望とする材料特性をオーダーメイド可能な材料として多方面での展開が期待されている。
【０００４】金属間化合物基複合材料の製造方法としては、予め金属間化合物粉末をメカニカルアロイング（ＭＡ）等にて製造し、強化材となる繊維及び／又は粒子等とともに、高温・高圧条件下においてホットプレス（ＨＰ）若しくは熱間等方圧成形（ＨＩＰ）する方法が挙げられる。
【０００５】金属間化合物基複合材料を製造する従来の製造方法における問題点として、緻密な金属間化合物基複合材料の製造を行うためには、主として粉末冶金的なＨＰ法及びＨＩＰ法等の製造方法によって高温・高圧を負荷し、金属間化合物を焼結することで複合材料の緻密化を行う必要性があることを挙げることができる。このため、前処理工程の必要性があるだけでなく、製造装置の性能や規模に制約があり、大型、或いは複雑形状の複合材料の製造が極めて困難であるとともに、最終製品の形状を考慮したニアネットシェイプ化を行うことができず、その後の工程において機械加工処理が必要となるといった問題点をも有している。
【０００６】また、前処理工程として、予めＭＡ等による金属間化合物粉末の合成が必要であり、製造工程の多段階・煩雑化といった問題点を有している。従って、上述のように、従来の金属間化合物基複合材料の製造においては多段階に渡る工程が必要であるとともに、高温・高圧条件下において行う製造方法であるために極めて高コスト・高エネルギーな製造方法である。
【０００７】また、金属基複合材料の製造方法としても、固相法であるＨＰ法やＨＩＰ法等のような、シート状又は箔状の金属と、繊維状又は粒子状のセラミックスとを高圧にて拡散接合する手法や、金属粉末を利用する、前述の粉末冶金的な手法が一般に知られている。更に、液相法としては、濡れ性が良好ではないセラミックスと溶融金属との組み合わせを考慮し、高圧を付与する等、機械的なエネルギーを利用して強制的に複合材料化させる加圧含浸法や溶湯鍛造法等が知られているが、固相法、液相法、ともに高温・高圧を必要とするプロセスである。また、複合材料化された製品は、どれも平板や円板等の簡易的な形状であり、最終製品にまで仕上げるためには塑性加工処理や機械加工処理が必要となるが、セラミックス相を含んでいるため、加工コストが高く、極めて高コストな製造方法である。
【０００８】このような問題を解消するための関連技術、特に複合材料の低コスト化を目的として、従来の高圧法による合成プロセスではなく圧力を必要としない金属基複合材料の製造方法が開示されている。具体的には、溶融金属を無加圧含浸させる液相法として、窒素ガス雰囲気中でマグネシウム（Ｍｇ）を揮発させ、気相反応によりＭｇ_３Ｎ_２をセラミックス粒子表面にｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）生成させることによりセラミックスと金属との濡れ性を向上させ、毛細管圧力によってセラミックス多孔体に溶融アルミニウム（Ａｌ）を無加圧浸透させる手法が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。しかしながら、この手法によれば、気相反応によりセラミックス粒子表面にＭｇ_３Ｎ_２をｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）コーティングすることから含浸速度が非常に遅く、また無加圧浸透させる雰囲気調整に時間を要することから、製品製造を行う上で非常に長時間を要するといった問題がある。更には、予めセラミックス粒子を高温で仮焼すること等によってセラミックス多孔体を合成する必要があるため、複合材料の低コスト化が図れないといった問題がある。
【０００９】また、他の手法として微細片の形態をなす強化材（分散材）と、酸素及び窒素のゲッター効果を有するチタン（Ｔｉ）等の微細片からなる成形体を形成し、これをアルミニウム（Ａｌ）等の溶湯中に浸漬することで、アルミニウム（Ａｌ）等の金属をマトリックスとする金属基複合材料の製造方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１０】しかしながら、前記製造方法によれば、得られる複合材料は金属間化合物をできる限り含有しない金属をマトリックスとする金属基複合材料に限定される。更に、チタン（Ｔｉ）−アルミニウム（Ａｌ）間での発熱反応に起因して成形体（試料）が膨張するため、成形体を溶湯中に浸漬すると強化材体積率が低下してしまい、強化材体積率がより高い複合材料を製造することが困難であり、より高強度であるといった、材料特性を制御した複合材料を製造することが困難であるという問題があった。
【００１１】上述してきた種々の問題を解消するための関連技術として、所定の強化材に混合した金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）溶湯による自己燃焼反応を生起させる金属間化合物基複合材料の製造方法が開示されている（例えば、特許文献４参照）。この製造方法によれば、図２に示すように、反応容器１内に充填された分散材と金属粉末からなる混合材料２の空隙３にアルミニウム（Ａｌ）１４を溶融含浸させることにより、自己燃焼反応をｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）で生起させるために、低温、かつ、無加圧条件下で高融点である金属間化合物基複合材料等の複合材料５を、非常に短時間で完結する含浸プロセスにより最終製品形状を模擬したニアネットシェイプ化を達成することができ、従来法と比較して格段にエネルギー量が少なく、製造コストが低減された複合材料の製造方法であるといえる。
【００１２】しかしながら、元素間の自己燃焼反応（代表的には燃焼合成反応（ＳＨＳ反応））を利用した前記製造方法に類似する材料合成プロセスは、発生する非常に大きな反応熱を自由に制御できない点から、セラミックスや高融点化合物の粉末合成（例えば、アルミニウム（Ａｌ）や珪素（Ｓｉ）を出発原料とした窒素ガス雰囲気中でのＡｌＮ及びＳｉ_３Ｎ_４粉末の合成プロセス（直接窒化法）等）には利用されているのに対して、バルク体製造の場合においては発熱反応に伴う気孔生成に起因して、得られるバルク体に緻密性を付与することが非常に困難であることが知られており、前記製造方法においても高い緻密性を有する複合材料の合成が困難であり、その気孔に起因した機械的特性（例えば、曲げ強度やヤング率等）の低下が問題となっていた。また、本複合材料を製造装置分野（半導体、ディスプレイ等）等に使用する場合には、材料の開気孔率が大きいと気孔の中に液体、ガス、ゴミ等の不純物が混在することにより、パーティクル、コンタミ及びアウトガス等の要因となり使用上問題が生じる場合があった。そのため、前記製造方法により得られる複合材料よりも、気孔が少ない更に緻密な微構造を有する複合材料を製造する方法を創出することが産業界から要望されていた。
【００１３】また、前記製造方法においては低コスト化を実現する無加圧含浸プロセスという特徴を有するものの、前記含浸技術が元素間での反応熱を含浸駆動力に利用することから、発熱反応が著しかったり、また含浸速度が非常に早いため、大型化・複雑形状化を図ろうとした場合、良好にアルミニウム（Ａｌ）が供給されない部位及び緻密性が乏しい部位等が生じることが問題となっていた。そのため、実際の製品製造を行う場合には、安定的な前記含浸技術の確立が要望されていた。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１−２７３６５９号公報
【特許文献２】
特開平２−２４０２２７号公報
【特許文献３】
特許第３１０７５６３号公報
【特許文献４】
特開２００２−４７５１９号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大型・複雑形状でありながらも緻密な微構造を有する複合材料を、簡易な装置を用いて製造することができる複合材料の製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、前記混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第一のＡｌ含有金属）を溶融含浸させて、マトリックス中に前記分散材を分散させた複合材料を製造する方法であって、前記反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって前記混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に一以上の孔が形成されてなる反応容器を用い、前記混合材料を一以上の前記容器要素の前記空間を形成する領域（空間形成領域）内に充填するとともに、一以上の前記容器要素を、前記空間形成領域内に充填された前記混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて前記反応容器を構成し、前記混合材料が充填された前記反応容器の前記孔の形成部分に前記第一のＡｌ含有金属を載置し、前記反応容器を、前記第一のＡｌ含有金属の融点よりも１０〜１００℃低い温度で予熱処理した後に０．５〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱して、前記孔を経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、前記金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする複合材料の製造方法（第一の発明）が提供される。
【００１７】また、本発明によれば、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、前記混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第一のＡｌ含有金属）を溶融含浸させて、マトリックス中に前記分散材を分散させた複合材料を製造する方法であって、前記反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって前記混合材料が充填される空間を形成するように構成された、その上部に複数の孔が形成されてなる反応容器を用い、前記混合材料を一以上の前記容器要素の前記空間を形成する領域（空間形成領域）内に充填するとともに、一以上の前記容器要素を、前記空間形成領域内に充填された前記混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて前記反応容器を構成し、前記第一のＡｌ含有金属として、アルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第二のＡｌ含有金属）と、前記第二のＡｌ含有金属よりも低融点であるアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第三のＡｌ含有金属）とを積層してなるものを用いるとともに、前記第一のＡｌ含有金属を、前記混合材料が充填された前記反応容器の前記孔の形成部分に、前記第二のＡｌ含有金属が前記孔を閉塞するように載置し、前記反応容器を加熱して、前記第三のＡｌ含有金属と前記第二のＡｌ含有金属とをこの順で溶融させ、前記孔を経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、前記金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする複合材料の製造方法（第二の発明）が提供される。
【００１８】また、本発明によれば、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、前記混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第一のＡｌ含有金属）を溶融含浸させて、マトリックス中に前記分散材を分散させた複合材料を製造する方法であって、前記反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって前記混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に複数の孔が形成され、かつ、中心から外側に向かうに従ってより高融点であるアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第四のＡｌ含有金属）が前記孔に順次配設されてなる反応容器を用い、前記混合材料を一以上の前記容器要素の前記空間を形成する領域（空間形成領域）内に充填するとともに、一以上の前記容器要素を、前記空間形成領域内に充填された前記混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて前記反応容器を構成し、前記混合材料が充填された前記反応容器の前記孔の形成部分に前記第一のＡｌ含有金属を載置し、前記反応容器を加熱して、前記孔に配設された前記第四のＡｌ含有金属を中心から外側の順に溶融させるとともに前記孔を経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、前記金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする複合材料の製造方法（第三の発明）が提供される。
【００１９】また、本発明によれば、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、前記混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第一のＡｌ含有金属）を溶融含浸させて、マトリックス中に前記分散材を分散させた複合材料を製造する方法であって、前記反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって前記混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に一以上の孔が形成されてなる反応容器を用い、前記混合材料を一以上の前記容器要素の前記空間を形成する領域（空間形成領域）内に、前記空間形成領域の下部から上部に向かうに従って前記混合材料の全体に対する前記金属粉末の含有割合が減少する状態で充填するとともに、一以上の前記容器要素を、前記空間形成領域内に充填された前記混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて前記反応容器を構成し、前記孔を経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、前記金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする複合材料の製造方法（第四の発明）が提供される。
【００２０】本発明（第一〜第四の発明）においては、反応容器が、その側部に、反応容器の上方から下方へと傾斜するスロープ状の湯道と、湯道に連通する一以上の側孔とが更に形成されてなるものであり、孔と側孔を各々独立に経由して第一のＡｌ含有金属を混合材料内部の空隙中に溶融含浸させることが好ましい。
【００２１】また、本発明によれば、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、前記混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第一のＡｌ含有金属）を溶融含浸させて、マトリックス中に前記分散材を分散させた複合材料を製造する方法であって、前記反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって前記混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に一以上の上孔が、その下部に一以上の下孔がそれぞれ形成されてなる反応容器を用い、前記混合材料を一以上の前記容器要素の前記空間を形成する領域（空間形成領域）内に充填するとともに、一以上の前記容器要素を、前記空間形成領域内に充填された前記混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて前記反応容器を構成し、前記上孔及び前記下孔を各々独立に経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、前記金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする複合材料の製造方法（第五の発明）が提供される。
【００２２】本発明（第五の発明）においては、反応容器が、その側部に、反応容器の上方から下方へと傾斜するスロープ状の湯道と、湯道に連通する一以上の側孔とが更に形成されてなるものであり、上孔、下孔、及び側孔を各々独立に経由して第一のＡｌ含有金属を混合材料内部の空隙中に溶融含浸させることが好ましい。
【００２３】本発明（第一〜第五の発明）においては、金属粉末が、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びニオブ（Ｎｂ）からなる群より選択される少なくとも一種の金属からなる粉末であることが好ましい。
【００２４】本発明（第一〜第五の発明）においては、分散材が、繊維、粒子、及びウィスカーからなる群より選択される少なくとも一種の形状を有する無機材料であることが好ましく、無機材料が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、及びＳｉ_３Ｎ_４からなる群より選択される少なくとも一種であるが好ましい。
【００２５】本発明（第一〜第五の発明）においては、反応容器が、少なくともその内壁がカーボン材により構成されてなるものであることが好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施形態に基づき詳しく説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００２７】本発明（第一の発明）は、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（以下、「第一のＡｌ含有金属」と記す）を溶融含浸させて、マトリックス中に分散材を分散させた複合材料を製造する方法であり、反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に一以上の孔が形成されてなる反応容器を用い、混合材料を一以上の容器要素の空間を形成する領域（以下、「空間形成領域」と記す）内に充填するとともに、一以上の容器要素を、空間形成領域内に充填された混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて反応容器を構成し、混合材料が充填された反応容器の孔の形成部分に第一のＡｌ含有金属を載置し、反応容器を、第一のＡｌ含有金属の融点よりも１０〜１００℃低い温度で予熱処理した後に０．５〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱して第一のＡｌ含有金属を溶解させ、金属粉末と溶融アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成する際の反応熱により、孔を経由して第一のＡｌ含有金属を混合材料内部の空隙中に無加圧含浸させて、マトリックス中に分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする。以下、その詳細について説明する。
【００２８】図１は、本発明の複合材料の製造方法の一実施形態を説明する模式図である。図１においては、適当なサイズ及び形状の容器要素１ａの空間形成領域２５内に、分散材及び金属粉末を混合してなる混合材料２を充填し、その上面に溶融した第一のＡｌ含有金属４が含浸される孔１０（注湯口）を有する容器要素１ｂ（蓋部材）を載置して混合材料２を所定の形状に固定し、空隙３、即ち、隣接する混合材料２どうしにより形成される空隙３に、孔１０を通じて第一のＡｌ含有金属４を溶融含浸させる状態が示されている。なお、図１中、符号１は反応容器、符号９は蓋体、符号２１は外挿体を示すものであり、以降、同一の符号は同一の部分を示すものとする。
【００２９】第一の発明の一実施形態では、図１に示すように第一のＡｌ含有金属４を溶融含浸させるに際して、先ず混合材料２が充填された反応容器１の孔１０の形成部分に第一のＡｌ含有金属４を載置した状態で、第一のＡｌ含有金属４の融点よりも１０〜１００℃低い温度で、反応容器１を予熱処理する。この予熱処理を実施することにより第一のＡｌ含有金属４が溶融含浸される、反応容器１に充填された混合材料２の中心と外側との温度分布の差を解消し、混合材料２全体の温度分布を均一にすることができる。更に、この予熱処理に次いで、０．５〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で徐々に加熱することにより第一のＡｌ含有金属４を完全に溶融させ、これを空隙３に含浸させる。空隙３中に溶融含浸させた第一のＡｌ含有金属４は、混合材料２を構成する金属粉末（図示せず）と接触して自己燃焼反応を生起し、第一のＡｌ含有金属４はアルミナイド金属間化合物に置換される。この結果、アルミニウム（Ａｌ）とアルミナイド金属間化合物を含むマトリックス６に分散材７が分散してなる複合材料５を製造することができる。
【００３０】本実施形態では、所定の昇温速度で加熱することによって、第一のＡｌ含有金属４を溶融させて空隙３に含浸させるため、混合材料２の温度分布が全体として均一となり、空隙３の全域に渡って均等な状態で第一のＡｌ含有金属４が溶融含浸される。従って、その全域に渡って緻密な微構造を有する複合材料５を製造することができる。特に、本実施形態の複合材料の製造方法によれば、大型・複雑形状の複合材料を製造する場合であっても第一のＡｌ含有金属４が空隙３の細部まで良好に含浸し易く、大型・複雑形状であってもその全域に渡って緻密な微構造を有する複合材料５を製造することができる。
【００３１】混合材料２を所定形状となるように固定するためには、図１に示すように、例えばネジ部８を容器要素１ａに設ける等の手段を挙げることができ、このことにより、所望とする適度な圧力を混合材料２に対して付与するように微調整することができる。但し、混合材料を固定するための手段は、図１に示した態様に限定されるものでないことはいうまでもない。なお、上述した図１に示す態様の混合材料を固定するための手段を反応容器の構成として採用することは、後述する第二〜第五の発明においても同様に好ましい。
【００３２】次に、第二の発明について説明する。第二の発明は、第一の発明と同様、マトリックス中に分散材を分散させた複合材料を製造する方法であり、反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって混合材料が充填される空間を形成するように構成された、その上部に複数の孔が形成されてなる反応容器を用い、混合材料を一以上の容器要素の空間形成領域内に充填するとともに、一以上の容器要素を、空間形成領域内に充填された混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて反応容器を構成し、第一のＡｌ含有金属として、アルミニウム（Ａｌ）を含む金属（以下、「第二のＡｌ含有金属」と記す）と、第二のＡｌ含有金属よりも低融点であるアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（以下、「第三のＡｌ含有金属」と記す）とを積層してなるものを用いるとともに、第一のＡｌ含有金属を、混合材料が充填された反応容器の孔の形成部分に、第二のＡｌ含有金属が孔を閉塞するように載置し、反応容器を加熱して、第三のＡｌ含有金属と第二のＡｌ含有金属とをこの順で溶融させ、金属粉末と溶融アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成する際の反応熱により、孔を経由して第一のＡｌ含有金属を混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、マトリックス中に分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする。以下、その詳細について説明する。
【００３３】第二の発明の一実施形態では、図４に示すように第一のＡｌ含有金属４として、第二のＡｌ含有金属４ａと、第二のＡｌ含有金属４ａよりも低融点である第三のＡｌ含有金属４ｂとを積層してなるものを用いる。この第一のＡｌ含有金属４を、混合材料２が充填された反応容器１の孔１０の形成部分に、第二のＡｌ含有金属４ａが孔１０を閉塞するように載置する。この状態で第二のＡｌ含有金属４ａの融点付近の温度で反応容器１を加熱し、孔１０を経由して第一のＡｌ含有金属４を混合材料２内部の空隙３中に溶融含浸させる。空隙３中に溶融含浸させた第一のＡｌ含有金属４は、混合材料２を構成する金属粉末（図示せず）と接触して自己燃焼反応を生起し、第一のＡｌ含有金属４はアルミナイド金属間化合物に置換される。この結果、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックスに分散材が分散してなる複合材料を製造することができる。
【００３４】通常、製造しようとする複合材料が大型化するに伴って反応容器も大型化するため、第一のＡｌ含有金属を溶融含浸させるために反応容器を加熱すると、反応容器の外側と中心部とに顕著な温度分布の差を生ずる。また、本発明における含浸速度が極めて早いことから、反応容器の外側から先に第一のＡｌ含有金属の含浸が開始され、順次、内側へと含浸が進行するため、得られる複合材料に未含浸部や緻密でない箇所を形成する場合が想定される。しかしながら、図４に示すように、本実施形態では融点の異なるアルミニウム（Ａｌ）を含有する金属の積層体である第一のＡｌ含有金属４を使用し、より高融点であるアルミニウム（Ａｌ）を含有する金属（第二のＡｌ含有金属４ａ）で孔１０を閉塞した状態で第二のＡｌ含有金属４ａの融点付近の温度で反応容器１を加熱するため、より低融点である第三のＡｌ含有金属４ｂが先に溶融する。次いで第二のＡｌ含有金属４ａが溶融することとなるが、第二のＡｌ含有金属４ａが溶融するまでの間、第二のＡｌ含有金属４ａ自体が遮蔽層としての役割を担うこととなるため、反応容器１の中心部と外周部との含浸開始の時間的差異を補正し、大型・複雑形状でありながらもその全域に渡って緻密な微構造を有する複合材料を製造することができる。
【００３５】次に、第三の発明について説明する。第三の発明は、第一及び第二の発明と同様、マトリックス中に分散材を分散させた複合材料を製造する方法であり、反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に複数の孔が形成され、かつ、中心から外側に向かうに従ってより高融点であるアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（以下、「第四のＡｌ含有金属」と記す）が孔に順次配設されてなる反応容器を用い、混合材料を一以上の容器要素の空間形成領域内に充填するとともに、一以上の容器要素を、空間形成領域内に充填された混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて反応容器を構成し、混合材料が充填された反応容器の孔の形成部分に第一のＡｌ含有金属を載置し、反応容器を加熱して、孔に配設された第四のＡｌ含有金属を中心から外側の順に溶融させるとともに金属粉末と溶融アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成する際の反応熱により、孔を経由して第一のＡｌ含有金属を混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、マトリックス中に分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする。以下、その詳細について説明する。
【００３６】第三の発明の一実施形態では、図５に示すように混合材料２を空間形成領域２５内に充填するとともに、容器要素１ｂを、混合材料２を所定の形状に固定した状態で合体させて反応容器１を構成する。このとき、反応容器１（容器要素１ｂ）として、複数の孔１０が形成され、かつ、中心から外側に向かうに従ってより高融点である第四のＡｌ含有金属４ｃが孔１０に順次配設されてなるものを用いる。この孔１０の形成部分に第一のＡｌ含有金属４を載置し、この状態で第一のＡｌ含有金属４の融点以上の温度で反応容器１を加熱し、孔１０を経由して第一のＡｌ含有金属４を混合材料２内部の空隙３中に溶融含浸させる。空隙３中に溶融含浸させた第一のＡｌ含有金属４は、混合材料２を構成する金属粉末（図示せず）と接触して自己燃焼反応を生起し、第一のＡｌ含有金属４はアルミナイド金属間化合物に置換される。この結果、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックスに分散材が分散してなる複合材料を製造することができる。
【００３７】通常、製造しようとする複合材料が大型化するに伴って反応容器も大型化するため、第一のＡｌ含有金属を溶融含浸させるために反応容器を加熱すると、反応容器の外側と中心部とに顕著な温度分布の差を生ずる。このため、反応容器の外側から先に第一のＡｌ含有金属の含浸が開始され、順次、内側へと含浸が進行するため、得られる複合材料に未含浸部や緻密でない箇所を形成する場合が想定される。しかしながら、図５に示すように、本実施形態では反応容器１の中心から外側に向かうに従って高融点である複数の第四のＡｌ含有金属４ｃが放射状に孔１０に配設された容器要素１ｂを用いてなる反応容器１を加熱して第一のＡｌ含有金属４を溶融させて含浸するため、反応容器１の中心部と外周部との含浸開始の時間的差異を補正し、大型・複雑形状でありながらもその全域に渡って緻密な微構造を有する複合材料を製造することができる。
【００３８】次に、第四の発明について説明する。第四の発明は、第一〜第三の発明と同様、マトリックス中に分散材を分散させた複合材料を製造する方法であり、反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に一以上の孔が形成されてなる反応容器を用い、混合材料を一以上の容器要素の空間形成領域内に、空間形成領域の下部から上部に向かうに従って混合材料の全体に対する金属粉末の含有割合が減少する状態で充填するとともに、一以上の容器要素を、空間形成領域内に充填された混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて反応容器を構成し、孔を経由して第一のＡｌ含有金属を混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、マトリックス中に分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする。以下、その詳細について説明する。
【００３９】第四の発明の一実施形態では、混合材料を空間形成領域内に充填するとともに、容器要素を、混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて反応容器を構成する。このとき、含浸を行う方向である空間形成領域の混合材料上部に金属粉末の含有割合が低い混合材料の層を形成させる。これは、本含浸技術が元素間での発熱反応を利用することから、混合粉末上面の含浸フロント部において生じる過剰な発熱反応を抑制することを目的として、混合材料上部に金属粉末の含有割合が低い混合材料の層を形成させることにより、この層が発熱反応の緩衝層として作用することによって、大型部材の含浸時に生じる含浸不具合を低減させることを目的とするものである。次いで、空間形成領域内に充填された混合材料を所定の形状に固定した状態で容器要素を合体させることにより反応容器を構成し、孔を経由して第一のＡｌ含有金属を混合材料内部の空隙中に溶融含浸させる。空隙中に溶融含浸させた第一のＡｌ含有金属は、混合材料を構成する金属粉末と接触して自己燃焼反応を生起し、第一のＡｌ含有金属はアルミナイド金属間化合物に置換される。この結果、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックスに分散材が分散してなる複合材料を製造することができる。なお、第一のＡｌ含有金属は、予め溶融状態としておいたもの含浸させてもよく、固体状のものを孔の形成部分に配置し、反応容器自体を加熱することによって溶融含浸させてもよい。
【００４０】また、本発明（第一〜第四の発明）の複合材料の製造方法においては、図７に示すように、反応容器１が、その側部に、反応容器１の上方から下方へと傾斜するスロープ状の湯道２３と、湯道２３に連通する側孔１３とが更に形成されてなるものであり、孔１０と側孔１３を各々独立に経由して第一のＡｌ含有金属４を混合材料２内部の空隙中に溶融含浸させることが好ましい。即ち、側孔１３を適宜追加・形成した反応容器１を用意し、各々の孔１０、側孔１３から第一のＡｌ含有金属４を溶融含浸させることによって、肉厚（図７の左右方向に長い場合）であっても、その全体に渡って緻密な微構造を有する複合材料を製造することができる。
【００４１】次に、第五の発明について説明する。第五の発明は、第一〜第四の発明と同様、マトリックス中に分散材を分散させた複合材料を製造する方法であり、反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に一以上の上孔が、その下部に一以上の下孔がそれぞれ形成されてなる反応容器を用い、混合材料を一以上の容器要素の空間形成領域内に充填するとともに、一以上の容器要素を、空間形成領域内に充填された混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて反応容器を構成し、上孔及び下孔を各々独立に経由して第一のＡｌ含有金属を混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、マトリックス中に分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする。以下、その詳細について説明する。
【００４２】第五の発明の一実施形態では、図６に示すように反応容器１として、容器要素１ａ，１ｂが合体することによって混合材料２が充填される空間を形成するように構成され、その上部に上孔１１、その下部に下孔１２がそれぞれ形成されてなるものを使用し、空間形成領域２５内に混合材料２を充填する。そして、空間形成領域２５内に充填された混合材料２を所定の形状に固定した状態で容器要素１ｂを合体させる。その後、上孔１１、下孔１２を各々独立に経由して第一のＡｌ含有金属４を混合材料２内部の空隙３中に溶融含浸させる。空隙３中に溶融含浸させた第一のＡｌ含有金属４は、混合材料２を構成する金属粉末（図示せず）と接触して自己燃焼反応を生起し、第一のＡｌ含有金属４はアルミナイド金属間化合物に置換される。この結果、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックスに分散材が分散してなる複合材料を製造することができる。なお、第一のＡｌ含有金属４は、予め溶融状態としておいたもの含浸させてもよく、固体状のものを上孔１１及び下孔１２の形成部分に配置し、反応容器１自体を加熱することによって溶融含浸させてもよい。
【００４３】通常、製造しようとする複合材料が大型化、特に第一のＡｌ含有金属の含浸方向にその厚みが増加するに伴って反応容器も大型化するため、反応容器の上部（孔の付近）と下部（孔から離れた部分）とで第一のＡｌ含有金属の含浸度合いに差異を生ずる場合がある。このため、得られる複合材料の上部は緻密でありながらも、下部では未含浸部や緻密でない箇所を含む場合が想定される。しかしながら、本実施形態では図６に示すように、反応容器１として上孔１１と下孔１２とを有するものを用い、反応容器１に充填された混合材料２の上下方向から第一のＡｌ含有金属４を含浸させるため、大型・複雑形状、特に肉厚でありながらもその全域に渡って緻密な微構造を有する複合材料を製造することができる。
【００４４】また、本発明（第五の発明）の複合材料の製造方法においては、図８に示すように、反応容器１が、その側部に、反応容器１の上方から下方へと傾斜するスロープ状の湯道２３と、湯道２３に連通する側孔１３とが更に形成されてなるものであり、上孔１１、下孔１２、及び側孔１３を各々独立に経由して第一のＡｌ含有金属４を混合材料２内部の空隙中に溶融含浸させることが好ましい。即ち、側孔１３を適宜追加・形成した反応容器１を用意し、各々の上孔１１、下孔１２、及び側孔１３から第一のＡｌ含有金属４を溶融含浸させることによって、肉厚（図８の左右方向に長い場合）であっても、その全体に渡って緻密な微構造を有する複合材料を製造することができる。
【００４５】本発明（第一〜第五の発明）においては、金属粉末と分散材（例えばセラミックス粒子）とを含む混合材料中に溶融アルミニウム（Ａｌ）が含浸する際に生じる発熱反応を利用することにより、従来法と比較して圧力を必要とせず、且つ非常に含浸速度が速い無加圧含浸が可能となる。このため、大型・複雑形状の複合材料を加圧含浸装置等の特別な設備を必要とせず、低エネルギー・低コストで製造することができる。
【００４６】更に、孔（又は上孔、下孔）を有する容器要素を混合材料に接するように配設し、孔（又は上孔、下孔）を経由して第一のＡｌ含有金属を含浸させる。このとき、空間形成領域内に充填された混合材料は、容器要素により所定形状となるように固定されているために、第一のＡｌ含有金属が含浸されても混合材料中の粒子移動が少なく、所定の形状を維持することができ、例えば図２に示すように、所定の孔を有する容器要素を使用せずに製造した複合材料５に比してその開気孔率を低減することができ、高密度であるとともにより緻密な複合材料を無加圧含浸にて製造することができる。また、第一のＡｌ含有金属を含浸した後にも変形等の不具合が発生し難く、得られる複合材料に所望とする形状を付与することができる。
【００４７】また、本発明（第一〜第五の発明）においては、図３に示すように、反応容器１（容器要素１ｂ）に複数の孔１０が形成されていることが好ましく、孔の数が１の場合に比して多量の混合材料２を用いることが可能となる。即ち、第一のＡｌ含有金属４の浸透性が良好となるために、大型・複雑形状であっても緻密な微構造を有する複合材料を無加圧含浸にて製造することができる。
【００４８】また、本発明（第一〜第五の発明）において用いる金属粉末は、溶融状態のアルミニウム（Ａｌ）（アルミニウム（Ａｌ）溶湯）と接触することにより自己燃焼反応を生起し、アルミナイド金属間化合物を形成するものである。具体的にはチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びニオブ（Ｎｂ）からなる群より選択される少なくとも一種の金属からなる粉末を用いることができる。これらの金属粉末は反応性が良好であるとともに、安定なアルミナイド金属間化合物を形成するために好ましい。これら金属粉末を用いた場合の反応の代表例を下記式（１）〜（３）に示す。下記式（１）〜（３）において示す通り、これらの反応は発熱反応（自己燃焼反応）であり、本発明においてはこの反応熱を利用する。
【００４９】
【数１】
３Ａｌ＋Ｔｉ→Ａｌ_３Ｔｉ ： ΔＨ_２９８＝−１４６ｋＪ／ｍｏｌ …（１）
ΔＨ：生成反応熱（Δ＜０にて発熱反応）
【００５０】
【数２】
３Ａｌ＋Ｎｉ→Ａｌ_３Ｎｉ ： ΔＨ_２９８＝−１５０ｋＪ／ｍｏｌ …（２）
ΔＨ：生成反応熱（Δ＜０にて発熱反応）
【００５１】
【数３】
３Ａｌ＋Ｎｂ→Ａｌ_３Ｎｂ ： ΔＨ_２９８＝−１６０ｋＪ／ｍｏｌ …（３）
ΔＨ：生成反応熱（Δ＜０にて発熱反応）
【００５２】本発明（第一〜第五の発明）においては、分散材の平均粒径に対する、金属粉末の平均粒径の比率（％）が、５〜８０％であることが好ましく、１０〜６０％であることが更に好ましい。金属粉末の平均粒径が分散材の平均粒径の５％に未満である場合には、金属粉末自体の入手が困難及び粉塵爆発の危険性が伴なってくる点から取り扱いが不便となり、８０％超である場合には、自己燃焼反応の活性度が充分に高められず、複合材料の緻密化をなし得ることができないためである。具体的には、平均粒径５０μｍの分散材に対しては平均粒径２〜４０μｍの金属粉末を用いることが好ましく、５〜３０μｍの金属粉末を用いることが更に好ましい。
【００５３】本発明（第一〜第五の発明）においては、分散材が、繊維、粒子、及びウィスカーからなる群より選択される少なくとも一種の形状を有する無機材料であることが好ましい。これらの形状を有する無機材料を用いることにより、最終製品としての使用用途に沿った強度や特徴を有する複合材料を製造することができる。
【００５４】なお、本発明（第一〜第五の発明）において「平均粒径１０〜１５０μｍの分散材」というときは、分散材の形状が粒子状の場合にあっては、「平均粒径１０〜１５０μｍの粒子」のことをいい、また粒子状ではなく、繊維、ウィスカー等の場合にあっては、「長さ／径、の比が１５０未満の場合で、径が０．１〜３０μｍの繊維、ウィスカー等」、又は「長さ／径、の比が１５０以上の場合で、径が０．５〜５００μｍの繊維、ウィスカー等」のことをいう。
【００５５】また、本発明（第一〜第五の発明）においては、前述の無機材料が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、及びＳｉ_３Ｎ_４からなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。複合材料は、これを構成するマトリックスに含まれる金属間化合物と分散材との組み合わせにより種々の特性を示すものであり、用途に応じた特性を示す複合材料となる組み合わせを適宜選択すればよい。
【００５６】本発明（第一〜第五の発明）においては、分散材と金属粉末を混合して得た混合材料を、反応容器を構成する容器要素の空間形成領域内に充填するとともに、混合材料が所定の形状及び空隙率となるように適当な圧力にて成形を行う。なお、予め適当な圧力を付与することにより混合材料の成形を行っておき、これを反応容器中に充填してもよい。また、空隙率に関しては、成形する圧力を変化させることで任意に制御することができる。更に、特に大型部材や複雑形状部材を製造する場合においては、反応容器中の混合材料に振動を印可して沈降成形を行うことにより、プレス機等の加圧装置を用いずに成形することも可能である。次いで、所定の容器要素を介して、成形体を容器要素どうしにて固定した状態で組み合わせることにより合体させ、その後に容器要素を介して第一のＡｌ含有金属を配置する。第一のＡｌ含有金属は純アルミニウム（Ａ１０５０）に限らず、各種アルミニウム（Ａｌ）合金（Ａ５０５２、Ａ５００５等）を使用することができる。続いて所定の加熱処理を実施し、混合材料の空隙に第一のＡｌ含有金属を溶融含浸させる。金属粉末と接触した、第一のＡｌ含有金属に含まれるアルミニウム（Ａｌ）は自己燃焼反応を生起するとともに毛細管浸透が誘起され、目的とする複合材料のマトリックスが瞬時に形成される。
【００５７】マトリックスの形成自体は非常に短時間で完了するため、加熱に要する時間は数分程度で充分である。更に、自己燃焼反応が終了した後に、得られた複合材料のマトリックスの均質化及び安定化を図るために、適宜等温保持や加熱保持を行ってもよい。このときの保持温度は、材料系によって若干左右されるが、自己燃焼反応が生じた温度と同一な温度から約４００〜５００℃程度高い温度で実施することが好ましく、また保持時間は約１時間から必要に応じて数時間実施してもよい。
【００５８】また、本発明において特にＡｌ含有金属の融点差を利用する場合には、純アルミニウム（Ａ１０５０（＞９９．５％）：融点６５７℃）やアルミニウム合金、例えば５０００番系（Ａｌ−Ｍｇ合金）のアルミニウム合金では、Ａ５００５（Ａｌ−０．８Ｍｇ：融点６５２℃）、Ａ５０５２（Ａｌ−２．５Ｍｇ：融点６４９℃）、Ａ５０５６（Ａｌ−５Ｍｇ：融点６３８℃）等を用いることが可能である。また、本発明においては、なるべく混合粉末中の金属粉末とアルミニウム合金に含有される溶質元素が脆性化合物を形成することを避ける方が望ましい。なお、Ａｌ含有金属に関してはこれに限定されるものではないことは言うまでもない。
【００５９】また、本発明（第一〜第五の発明）においては、図９に示すように、反応容器１が、少なくともその内壁がカーボン材２２により構成されてなるものであることが好ましい。内壁がこのように構成された反応容器１を用いると、第一のＡｌ含有金属４を溶融含浸して冷却した後、得られた複合材料を反応容器１から容易に取り出すことができる。即ち、複合材料の、反応容器１からの離型性が極めて良好となるために、反応容器１の耐久性も向上し、複合材料の製造コストを低減することができる。なお、図９においては反応容器１の内壁のみをカーボン材２２により構成した状態を示しているが、反応容器１の全体がカーボン材により構成されていてもよく、少なくとも第一のＡｌ含有金属４や、製造される複合材料が接触する箇所がカーボン材により構成されていることが好ましい。また、更なる離型性の向上を図るため、溶融した第一のＡｌ含有金属４が接触する部位に、ＢＮスプレー等によるコーティングを行うこと、カーボンシート等を配置すること等も好ましい。なお、図９中、符号２４は固定用ボルトを示す。
【００６０】更に、本発明（第一〜第五の発明）においては、図１０に示すように、孔１０（第五の発明の実施形態においては上孔及び下孔）が、応力緩衝効果を有する環状部材１５により形成されている容器要素１ｂ（蓋部材）を用いることが、得ようとする複合材料がより大型・複雑形状である場合に好ましい。ここでいう「応力緩衝効果」とは、アルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸した後、降温する際に生ずる熱収縮により発生する応力を緩衝する効果をいう。即ち、孔１０付近に残留した第一のＡｌ含有金属４が収縮抵抗となって孔１０と複合材料との接触箇所において応力が集中し、得られる複合材料に破損等の不具合を発生させる場合も想定されるが、孔１０が応力緩衝効果を有する環状部材１５により形成されている容器要素１ｂ（蓋部材）を用いることにより、前記不具合の発生を回避することができる。なお、このような応力緩衝効果を備えた環状部材１５を構成する材料の具体的な例としては、ポーラスカーボンや、断熱材として使用されるセラミックスファイバー等を挙げることができる。また、孔１０の最下部、即ち、孔１０が得られる複合材料と接触する部分にＣ取りやＲ付けをして、収縮時の応力を緩和することも好ましい。
【００６１】また、本発明においては、孔の内側の下部に混合材料を充填することが好ましい。孔の直下に相当する部分では、得られる複合材料の組織がアルミニウム（Ａｌ）過剰となり不均質となる場合がある。従って、孔の内側の下部に混合材料を充填した場合には、アルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸後、孔の内側に相当する箇所のみを容易に除去することができ、全体的に均質な組織を有する複合材料を製造することができる。
【００６２】上述してきた、本発明（第一〜第五の発明）の複合材料の製造方法によれば、その特徴を生かして大型・複雑形状でありながらも緻密な微構造を有する複合材料を極めて簡便に製造することができる。また、最終製品の形状を考慮したニアネットシェイプ化を行うことができるために、その後の工程において機械加工処理が不必要である。更に、アルミナイド金属間化合物を含浸時にその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）合成にて生成することから、前処理工程であるアルミナイド金属間化合物の調製も不必要となるために、製造コストの削減を容易に達成することができる。
【００６３】
【実施例】以下、本発明の具体的な実施結果を説明する。
（実施例１〜７、比較例３）
平均粒径が約４７μｍのＡｌ_２Ｏ_３粒子、平均粒径が約１０μｍのチタン（Ｔｉ）粉末、及び表１に示す溶融含浸させるアルミニウム（Ａｌ）を含む金属を用意した。次に、チタン（Ｔｉ）粉末とＡｌ_２Ｏ_３粒子を、（Ｔｉ／Ａｌ_２Ｏ_３）体積比の値が０．４０となるように配合し、Ｖ型混合機により混合を行った。混合により得られた混合材料を、内径３００ｍｍφの、内壁に高密度カーボンを設置したＳＵＳ３１６製金型容器に充填し、その形状に沿う形で圧縮成形を行い、厚み３０ｍｍ、空隙率約５０％の成形体とした。次に、６１個の孔（２０ｍｍφ）及び１２個の孔（１５ｍｍφ）を有する高密度カーボンからなる蓋部材を成形体の上面に載置して、外周部の容器にて圧粉体を固定させた構造とし、これらの孔に溶融したアルミニウム（Ａｌ）合金が流れ込むようにアルミニウム（Ａｌ）を含む金属を配置した。０．１３Ｐａ以下の真空雰囲気下、含浸治具及び成形体の均熱化を目的として、表１に示す温度及び時間の予熱処理を行い、その後表１に示す昇温速度で８００℃にまで加熱して溶融したアルミニウム（Ａｌ）を含む金属を無加圧含浸させ、約１時間保持後に徐冷して、複合材料を製造した（実施例１〜７、比較例３）。
【００６４】
（比較例１，２）
予熱処理を行わず、表１に示す昇温速度で８００℃にまで加熱して溶融したアルミニウム（Ａｌ）を含む金属を無加圧含浸させる以外は、実施例１と同様の手法にて複合材料を製造した（比較例１，２）。
【００６５】実施例１〜７、比較例１〜３で得られた複合材料を任意に切断し、各切断面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、実施例１〜７で得られた複合材料については概ね良好に複合材料化されており、切断されたいずれの部分においても顕著な気孔は確認されなかった。これに対して、比較例１〜３で得られた複合材料については特に試料中央の底部にて緻密化が比較的乏しい部位（非緻密化部）が生成しているのが確認された。また、切断後の試料を用いて以下に示す方法により開気孔率を測定した。結果を表１に示す。なお、比較例１〜３で得られた複合材料については、非緻密化部における開気孔率を測定した。
【００６６】
［開気孔率の測定］：
測定サンプルから所定形状の試料を切り出し、アルキメデス法によって測定した。
【００６７】
【表１】

【００６８】実施例１〜７で得られた複合材料については、開気孔率がいずれも０．０３％以下であり、良好に緻密化が進行していることが判明した。これに対し、比較例１〜３で得られた複合材料については、開気孔率が大きくなり緻密化が不十分なものとなった。この結果、比較例１においては予熱処理を行わなかった点、また比較例２においては予熱処理を行わず、尚且つ昇温速度が速かった点から含浸治具及び成形体の均熱化が不十分となり、また比較例３においては予熱処理温度が含浸するアルミニウム（Ａｌ）を含む金属の融点に非常に近かったことから、予熱処理段階にて部分的に含浸が生起する箇所が生じ、非緻密化部が生じたものと考えられる。
【００６９】
（実施例８）
平均粒径が約４７μｍのＡｌ_２Ｏ_３粒子、平均粒径が約１０μｍのチタン（Ｔｉ）粉末を用意した。次に、チタン（Ｔｉ）粉末とＡｌ_２Ｏ_３粒子を、（Ｔｉ／Ａｌ_２Ｏ_３）体積比の値が０．２７となるように配合し、Ｖ型混合機により混合を行った。混合により得られた混合材料を、内径３００ｍｍφの、内壁に高密度カーボンを設置したＳＵＳ３１６製金型容器に充填し、その形状に沿う形で圧縮成形を行い、厚み３０ｍｍ、空隙率約４８％の成形体とした。次に、６１個の孔（２０ｍｍφ）及び１２個の孔（１５ｍｍφ）を有する高密度カーボンからなる蓋部材を成形体の上面に載置して、外周部の容器にて圧粉体を固定させた構造とし、純アルミニウム（Ａ１０５０、融点：６５７℃）と、Ａｌ合金（Ａ５０５２（Ａｌ−２．５Ｍｇ）、融点：６４９℃）とを、この順でカーボン製蓋部材の上に配置した。０．１３Ｐａ以下の真空雰囲気下、昇温速度５℃／ｍｉｎで８００℃にまで加熱して溶融したアルミニウム（Ａｌ）合金を無加圧含浸させ、約１時間保持後に徐冷して、複合材料を製造した（実施例８）。
【００７０】
（実施例９）
平均粒径が約４７μｍのＡｌ_２Ｏ_３粒子、平均粒径が約１０μｍのチタン（Ｔｉ）粉末を用意した。次に、チタン（Ｔｉ）粉末とＡｌ_２Ｏ_３粒子を、（Ｔｉ／Ａｌ_２Ｏ_３）体積比の値が０．２７となるように配合し、Ｖ型混合機により混合を行った。混合により得られた混合材料を、内径３００ｍｍφの、内壁に高密度カーボンを設置したＳＵＳ３１６製金型容器に充填し、その形状に沿う形で圧縮成形を行い、厚み３０ｍｍ、空隙率約４８％の成形体とした。次に、６１個の孔（２０ｍｍφ）及び１２個の孔（１５ｍｍφ）を有する高密度カーボンからなる蓋部材を成形体の上面に載置して、外周部の容器にて圧粉体を固定させた構造とし、中心付近の孔にＡｌ合金（Ａ５０５２（Ａｌ−２．５Ｍｇ）、融点：６４９℃）、その外周の孔にＡｌ合金（Ａ５００５（Ａｌ−０．８Ｍｇ）、融点：６５２℃）、更にその外周の孔に純アルミニウム（Ａ１０５０、融点：６５７℃）を配置した。０．１３Ｐａ以下の真空雰囲気下、昇温速度５℃／ｍｉｎで８００℃にまで加熱して溶融したアルミニウム（Ａｌ）合金を無加圧含浸させ、約１時間保持後に徐冷して、複合材料を製造した（実施例９）。
【００７１】実施例８及び９の手法を用いることにより、大型部材を製造する場合に生ずる、部位による温度分布差を厳密に考慮することなく、尚且つ予熱処理を実施することなく緻密性に優れた複合材料の製造が可能であった。
【００７２】
（実施例１０）
平均粒径が約４７μｍのＡｌ_２Ｏ_３粒子、平均粒径が約１０μｍのチタン（Ｔｉ）粉末及び溶融含浸させるアルミニウム（Ａｌ）合金（Ａ５０５２：Ａｌ−２．５Ｍｇ）を用意した。次に、チタン（Ｔｉ）粉末とＡｌ_２Ｏ_３粒子を、（Ｔｉ／Ａｌ_２Ｏ_３）体積比の値が０．４０となるように配合し、Ｖ型混合機により混合を行った。混合により得られた混合材料を、内径３００ｍｍφの、内壁に高密度カーボンを設置したＳＵＳ３１６製金型容器に充填し、その形状に沿う形で圧縮成形を行い、厚み２５ｍｍ、空隙率約５０％の成形体とした。次いで、同一のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子とチタン（Ｔｉ）粉末とを、（Ｔｉ／Ａｌ_２Ｏ_３）体積比が０．２７となるように配合した後、Ｖ型混合機で混合し、得られた混合材料を前述の成形体の上に積層し、同様に圧縮成形を行い、厚み５ｍｍ、空隙率約４８％の成形体を追加積層して総厚み３０ｍｍの成形体とした。次に、６１個の孔（２０ｍｍφ）及び１２個の孔（１５ｍｍφ）を有する高密度カーボンからなる蓋部材を成形体の上面に載置して、外周部の容器にて圧粉体を固定させた構造とし、これらの孔に溶融したアルミニウム（Ａｌ）合金が流れ込むようにアルミニウム（Ａｌ）合金を配置した。０．１３Ｐａ以下の真空雰囲気下、含浸治具及び成形体の均熱化を目的として、６００℃で１時間の予熱処理を行い、その後昇温速度２．５℃／ｍｉｎで８００℃にまで加熱して溶融したアルミニウム（Ａｌ）合金を無加圧含浸させ、約１時間保持後に徐冷して、複合材料を製造した（実施例１０）。
【００７３】
（実施例１１）
平均粒径が約４７μｍのＡｌ_２Ｏ_３粒子、平均粒径が約１０μｍのチタン（Ｔｉ）粉末及び溶融含浸させるアルミニウム（Ａｌ）合金（Ａ５０５２：Ａｌ−２．５Ｍｇ）を用意した。次に、チタン（Ｔｉ）粉末とＡｌ_２Ｏ_３粒子を、（Ｔｉ／Ａｌ_２Ｏ_３）体積比の値が０．２７となるように配合し、Ｖ型混合機により混合を行った。まず、内径３００ｍｍφの内壁に高密度カーボンを設置したＳＵＳ３１６製金型容器内にＡｌ合金を配置し、その上に孔中にＡｌ合金が装填された６１個の孔（２０ｍｍφ）及び１２個の孔（１５ｍｍφ）を有する高密度カーボンからなる蓋部材を配置した。続いて、混合により得られた混合材料を、前記容器内に充填し、その形状に沿う形で圧縮成形を行い、厚み６０ｍｍ、空隙率約４８％の成形体とした。更に、６１個の孔（２０ｍｍφ）及び１２個の孔（１５ｍｍφ）を有する高密度カーボンからなる蓋部材を成形体の上面に載置して、外周部の容器にて圧粉体を固定させた構造とし、これらの孔に溶融したアルミニウム（Ａｌ）合金が流れ込むようにアルミニウム（Ａｌ）合金を配置した。０．１３Ｐａ以下の真空雰囲気下、含浸治具及び成形体の均熱化を目的として、６００℃で１時間の予熱処理を行い、その後昇温速度２．５℃／ｍｉｎで８００℃にまで加熱して溶融したアルミニウム（Ａｌ）合金を上下方向から無加圧含浸させ、約１時間保持後に徐冷して、肉厚の複合材料を製造した（実施例１１）。
【００７４】
（比較例４）
平均粒径が約４７μｍのＡｌ_２Ｏ_３粒子、平均粒径が約１０μｍのチタン（Ｔｉ）粉末及び溶融含浸させるアルミニウム（Ａｌ）合金（Ａ５０５２：Ａｌ−２．５Ｍｇ）を用意した。次に、チタン（Ｔｉ）粉末とＡｌ_２Ｏ_３粒子を、（Ｔｉ／Ａｌ_２Ｏ_３）体積比の値が０．２７となるように配合し、Ｖ型混合機により混合を行った。混合により得られた混合材料を、内径３００ｍｍφの、内壁に高密度カーボンを設置したＳＵＳ３１６製金型容器に充填し、その形状に沿う形で圧縮成形を行い、厚み６０ｍｍ、空隙率約４８％の成形体とした。次に、６１個の孔（２０ｍｍφ）及び１２個の孔（１５ｍｍφ）を有する高密度カーボンからなる蓋部材を成形体の上面に載置して、外周部の容器にて圧粉体を固定させた構造とし、これらの孔に溶融したアルミニウム（Ａｌ）合金が流れ込むようにアルミニウム（Ａｌ）合金を配置した。０．１３Ｐａ以下の真空雰囲気下、含浸治具及び成形体の均熱化を目的として、６００℃で１時間の予熱処理を行い、その後昇温速度２．５℃／ｍｉｎで８００℃にまで加熱して溶融したアルミニウム（Ａｌ）合金を無加圧含浸させ、約１時間保持後に徐冷して、複合材料を製造した（比較例４）。
【００７５】
（結果）
実施例１１と比較例４より得られた複合材料を任意に切断し、各切断面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、実施例１１のサンプルにおいては概ね良好に複合材料化されており、切断されたいずれの部分においても顕著な気孔は確認されなかったことに対し、比較例４のサンプルでは特に試料中央の底部にＡｌが供給され無かった未含浸部が生じる結果となった。これより、実施例１１の手法のように追加的に下部より溶融Ａｌを供給することによって、試料全部位において緻密性に優れた肉厚な複合材料の製造が可能であることが判明した。
【００７６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の複合材料の製造方法によれば、金属粉末と分散材とを含む混合材料中に溶融アルミニウム（Ａｌ）が含浸する際に生じる発熱反応を利用することにより、従来法と比較して圧力を必要とせず且つ非常に含浸速度が速い無加圧含浸が可能となる。このため、大型・複雑形状の複合材料を加圧含浸装置等の特別な設備を必要とせず、低エネルギー・低コストで製造することができる。また、本発明の複合材料の製造方法により、大型部品を安定的に無加圧含浸することができ、尚且つ各部位において気孔が非常に少ない緻密性の高い複合材料の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合材料の製造方法の一実施形態を説明する模式図である。
【図２】従来の複合材料の製造方法の一実施形態を説明する模式図である。
【図３】本発明の複合材料の製造方法の他の実施形態を説明する模式図である。
【図４】本発明の複合材料の製造方法の、更に他の実施形態を説明する模式図である。
【図５】本発明の複合材料の製造方法の、更に他の実施形態を説明する模式図である。
【図６】本発明の複合材料の製造方法の、更に他の実施形態を説明する模式図である。
【図７】本発明の複合材料の製造方法の、更に他の実施形態を説明する模式図である。
【図８】本発明の複合材料の製造方法の、更に他の実施形態を説明する模式図である。
【図９】本発明の複合材料の製造方法の、更に他の実施形態を説明する模式図である。
【図１０】本発明の複合材料の製造方法の、更に他の実施形態を説明する模式図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…容器要素、１…反応容器、２…混合材料、３…空隙、４…第一のＡｌ含有金属、４ａ…第二のＡｌ含有金属、４ｂ…第三のＡｌ含有金属、４ｃ…第四のＡｌ含有金属、５…複合材料、６…マトリックス、７…分散材、８…ネジ部、９…蓋体、１０…孔、１１…上孔、１２…下孔、１３…側孔、１４…アルミニウム（Ａｌ）、１５…環状部材、２１…外挿体、２２…カーボン材、２３…湯道、２４…固定用ボルト、２５…空間形成領域、３０…金型容器。

Claims (11)

1. 反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、前記混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第一のＡｌ含有金属）を溶融含浸させて、マトリックス中に前記分散材を分散させた複合材料を製造する方法であって、
   前記反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって前記混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に一以上の孔が形成されてなる反応容器を用い、前記混合材料を一以上の前記容器要素の前記空間を形成する領域（空間形成領域）内に充填するとともに、一以上の前記容器要素を、前記空間形成領域内に充填された前記混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて前記反応容器を構成し、
   前記混合材料が充填された前記反応容器の前記孔の形成部分に前記第一のＡｌ含有金属を載置し、前記反応容器を、前記第一のＡｌ含有金属の融点よりも１０〜１００℃低い温度で予熱処理した後に０．５〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱して、前記孔を経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、前記金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする複合材料の製造方法。
2. 反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、前記混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第一のＡｌ含有金属）を溶融含浸させて、マトリックス中に前記分散材を分散させた複合材料を製造する方法であって、
   前記反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって前記混合材料が充填される空間を形成するように構成された、その上部に複数の孔が形成されてなる反応容器を用い、前記混合材料を一以上の前記容器要素の前記空間を形成する領域（空間形成領域）内に充填するとともに、一以上の前記容器要素を、前記空間形成領域内に充填された前記混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて前記反応容器を構成し、
   前記第一のＡｌ含有金属として、アルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第二のＡｌ含有金属）と、前記第二のＡｌ含有金属よりも低融点であるアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第三のＡｌ含有金属）とを積層してなるものを用いるとともに、前記第一のＡｌ含有金属を、前記混合材料が充填された前記反応容器の前記孔の形成部分に、前記第二のＡｌ含有金属が前記孔を閉塞するように載置し、
   前記反応容器を加熱して、前記第三のＡｌ含有金属と前記第二のＡｌ含有金属とをこの順で溶融させ、前記孔を経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、前記金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする複合材料の製造方法。
3. 反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、前記混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第一のＡｌ含有金属）を溶融含浸させて、マトリックス中に前記分散材を分散させた複合材料を製造する方法であって、
   前記反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって前記混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に複数の孔が形成され、かつ、中心から外側に向かうに従ってより高融点であるアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第四のＡｌ含有金属）が前記孔に順次配設されてなる反応容器を用い、前記混合材料を一以上の前記容器要素の前記空間を形成する領域（空間形成領域）内に充填するとともに、一以上の前記容器要素を、前記空間形成領域内に充填された前記混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて前記反応容器を構成し、
   前記混合材料が充填された前記反応容器の前記孔の形成部分に前記第一のＡｌ含有金属を載置し、前記反応容器を加熱して、前記孔に配設された前記第四のＡｌ含有金属を中心から外側の順に溶融させるとともに前記孔を経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、前記金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする複合材料の製造方法。
4. 反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、前記混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第一のＡｌ含有金属）を溶融含浸させて、マトリックス中に前記分散材を分散させた複合材料を製造する方法であって、
   前記反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって前記混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に一以上の孔が形成されてなる反応容器を用い、
   前記混合材料を一以上の前記容器要素の前記空間を形成する領域（空間形成領域）内に、前記空間形成領域の下部から上部に向かうに従って前記混合材料の全体に対する前記金属粉末の含有割合が減少する状態で充填するとともに、一以上の前記容器要素を、前記空間形成領域内に充填された前記混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて前記反応容器を構成し、
   前記孔を経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、前記金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする複合材料の製造方法。
5. 前記反応容器が、その側部に、前記反応容器の上方から下方へと傾斜するスロープ状の湯道と、前記湯道に連通する一以上の側孔とが更に形成されてなるものであり、前記孔と前記側孔を各々独立に経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させる請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合材料の製造方法。
6. 反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属粉末と分散材とを含む混合材料を充填するとともに、前記混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を含む金属（第一のＡｌ含有金属）を溶融含浸させて、マトリックス中に前記分散材を分散させた複合材料を製造する方法であって、
   前記反応容器として、二以上の容器要素が合体することによって前記混合材料が充填される空間を形成するように構成され、その上部に一以上の上孔が、その下部に一以上の下孔がそれぞれ形成されてなる反応容器を用い、前記混合材料を一以上の前記容器要素の前記空間を形成する領域（空間形成領域）内に充填するとともに、一以上の前記容器要素を、前記空間形成領域内に充填された前記混合材料を所定の形状に固定した状態で合体させて前記反応容器を構成し、
   前記上孔及び前記下孔を各々独立に経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させて、前記金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなる複合材料を得ることを特徴とする複合材料の製造方法。
7. 前記反応容器が、その側部に、前記反応容器の上方から下方へと傾斜するスロープ状の湯道と、前記湯道に連通する一以上の側孔とが更に形成されてなるものであり、前記上孔、前記下孔、及び前記側孔を各々独立に経由して前記第一のＡｌ含有金属を前記混合材料内部の空隙中に溶融含浸させる請求項６に記載の複合材料の製造方法。
8. 前記金属粉末が、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びニオブ（Ｎｂ）からなる群より選択される少なくとも一種の金属からなる粉末である請求項１〜７のいずれか一項に記載の複合材料の製造方法。
9. 前記分散材が、繊維、粒子、及びウィスカーからなる群より選択される少なくとも一種の形状を有する無機材料である請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合材料の製造方法。
10. 前記無機材料が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、及びＳｉ_３Ｎ_４からなる群より選択される少なくとも一種である請求項９に記載の複合材料の製造方法。
11. 前記反応容器が、少なくともその内壁がカーボン材により構成されてなるものである請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複合材料の製造方法。

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