JP3453839B2 - Diamond reinforced composite material and method of manufacturing the same - Google Patents

Diamond reinforced composite material and method of manufacturing the same

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JP3453839B2
JP3453839B2 JP06634594A JP6634594A JP3453839B2 JP 3453839 B2 JP3453839 B2 JP 3453839B2 JP 06634594 A JP06634594 A JP 06634594A JP 6634594 A JP6634594 A JP 6634594A JP 3453839 B2 JP3453839 B2 JP 3453839B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、航空機、エンジン、音
響製品、または運動用具などにおいて、軽量、高弾性、
高強度および高耐熱性を要求される部品を形成するため
のダイヤモンド強化複合材料およびその製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is applied to aircraft, engines, acoustic products, exercise equipment, etc.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a diamond-reinforced composite material for forming a part that requires high strength and high heat resistance, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、航空機、エンジン、音響製品、ま
たは運動用具などにおいて、軽量、高弾性、高強度、ま
たは高耐熱性を要求される部品は、ジュラルミン等のア
ルミニウム合金、または炭素繊維強化複合材料などの繊
維強化複合材料から形成されてきた。繊維強化複合材と
しては、炭素繊維強化樹脂(CFRP)、炭素繊維を金
属中に分散させた炭素繊維強化金属、SiC繊維、ガラ
ス繊維、SiCウィスカ、またはガラスウィスカ等を金
属またはプラスチック中に分散させてなる種々のセラミ
ックス繊維強化複合材料などが知られている。繊維強化
複合材料は、高い強度を有し、ジュラルミン等のアルミ
ニウム合金に比べ、軽いことから、近年よく用いられる
ようになっている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in aircraft, engines, acoustic products, exercise equipment, etc., parts that are required to be lightweight, highly elastic, highly strong, or highly heat resistant are aluminum alloys such as duralumin, or carbon fiber reinforced composites. It has been formed from fiber reinforced composite materials such as materials. As the fiber reinforced composite material, carbon fiber reinforced resin (CFRP), carbon fiber reinforced metal in which carbon fiber is dispersed in metal, SiC fiber, glass fiber, SiC whisker, or glass whisker is dispersed in metal or plastic. Various ceramic fiber reinforced composite materials and the like are known. Fiber-reinforced composite materials have high strength and are lighter than aluminum alloys such as duralumin, so that they have been widely used in recent years.

【0003】一方、近年、水素および炭化水素の混合ガ
スを原料として、繊維状、針状またはウィスカ状等の気
相合成ダイヤモンドを得る技術が提案されてきた。たと
えば、特開昭60−200896号公報は、減圧下で励
起し、かつ分解された原料ガスから、1000Å以下の
サイズを有する遷移金属粒子を付着させた基板の表面
に、繊維状ダイヤモンドを析出させることを開示する。
特開平1−246116号公報は、気相合成されたダイ
ヤモンド膜を、酸素、二酸化炭素、水蒸気、水素、ハロ
ゲン化炭化水素またはハロゲン化炭素を含むプラズマに
晒すか、または、酸素、二酸化炭素または水蒸気を含む
気流中で膜を熱処理することによって、針状、繊維状ま
たは多孔質ダイヤモンドを得ることを開示する。特開平
2−239192号公報は、気相合成された粗ダイヤモ
ンド膜をエッチングして、針状ダイヤモンドに変え、針
状ダイヤモンド上にピュアなダイヤモンドを析出させる
ことを開示する。そして、特開平1−246116号公
報は、針状、繊維状または多孔質ダイヤモンドと他のマ
トリックス材料を組合わせることにより、高強度、高耐
摩耗性、高熱伝導性または高耐食性など、機械的、熱的
または化学的に優れた性質のダイヤモンド強化複合材料
を製造し得る可能性を示唆している。
On the other hand, in recent years, a technique has been proposed in which fibrous, acicular or whisker-like vapor-phase synthetic diamond is obtained by using a mixed gas of hydrogen and hydrocarbon as a raw material. For example, JP-A-60-200896 discloses that fibrous diamond is deposited on the surface of a substrate on which transition metal particles having a size of 1000 Å or less are adhered from a raw material gas excited and decomposed under reduced pressure. I will disclose that.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-246116 discloses that a diamond film obtained by vapor phase synthesis is exposed to plasma containing oxygen, carbon dioxide, water vapor, hydrogen, halogenated hydrocarbon or carbon halide, or oxygen, carbon dioxide or water vapor. It is disclosed that needle-like, fibrous or porous diamond is obtained by heat-treating the film in an air flow containing. Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 2-239192 discloses that a coarse diamond film obtained by vapor phase synthesis is etched to be converted into acicular diamond, and pure diamond is deposited on acicular diamond. Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-246116 discloses a combination of needle-like, fibrous or porous diamond and other matrix materials to obtain mechanical strength such as high strength, high wear resistance, high thermal conductivity or high corrosion resistance. It suggests the possibility of producing diamond-reinforced composite materials with excellent thermal or chemical properties.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】一般に、繊維強化複合
材料を製造するうえで、複合させる物質同士、すなわち
マトリックスと繊維強化材料との間の、付着性および結
合性が大きな技術的課題となる。ダイヤモンドは、物質
中最大の硬度および弾性率を有する材料である。繊維状
ダイヤモンドは、炭素、SiCまたはガラス等の繊維強
化材に比べ、硬度および弾性率の点において優れている
ため、繊維状ダイヤモンド強化複合材料は、他の繊維状
材料で強化された複合材料よりも高い強度を有し得るだ
ろうということが期待される。しかし、気相合成ダイヤ
モンドは、金属およびプラスチックなどの他の材料との
付着性および結合性が低く、マトリックス中に繊維状ダ
イヤモンドを分散させて強固な結合状態を得るのは容易
ではない。また、ダイヤモンドは、一般に、金属および
プラスチック等の他の材料に対する濡れ性に乏しい。し
たがって、気相合成ダイヤモンドに対して良好な付着性
および結合性を有する材料が少ないため、ダイヤモンド
強化複合材料においてマトリックスの原料の範囲が限定
されてしまうという問題があった。
Generally, in the production of a fiber-reinforced composite material, adhesion and bonding between the substances to be composited, that is, between the matrix and the fiber-reinforced material are major technical problems. Diamond is the material with the highest hardness and elastic modulus in a substance. Since fibrous diamond is superior in hardness and elastic modulus to fibrous reinforcing materials such as carbon, SiC or glass, fibrous diamond reinforced composite materials are better than composite materials reinforced with other fibrous materials. Is also expected to have high strength. However, vapor-phase synthetic diamond has low adhesion and bondability with other materials such as metals and plastics, and it is not easy to disperse fibrous diamond in a matrix to obtain a strong bonded state. Also, diamonds generally have poor wettability to other materials such as metals and plastics. Therefore, there is a problem that the range of the raw material of the matrix is limited in the diamond-reinforced composite material, because there are few materials having good adhesiveness and bondability to the vapor phase synthetic diamond.

【0005】本発明の目的は、ダイヤモンド強化複合材
料について、気相合成ダイヤモンドとマトリックスとの
付着または結合を向上させることである。
It is an object of the present invention to improve the adhesion or bonding between vapor phase synthetic diamond and matrix for diamond reinforced composite materials.

【0006】本発明のさらなる目的は、ダイヤモンド強
化複合材料について、使用できるマトリックス材料の範
囲を広げることである。
A further object of the invention is to extend the range of matrix materials that can be used for diamond reinforced composite materials.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、気相合成ダイ
ヤモンドで強化された複合材料を提供し、そこにおい
て、ダイヤモンドの表面はマトリックスとの結合性を向
上させるため修飾される。
The present invention provides a composite material reinforced with vapor phase synthetic diamond, wherein the surface of the diamond is modified to improve its bond with the matrix.

【0008】本発明の1つの局面に従う複合材料は、マ
トリックスと、マトリックス中に分散され、かつ気相合
成ダイヤモンドからなる強化材とを備え、そこにおい
て、気相合成ダイヤモンドのマトリックスとの界面にあ
たる部分に存在する水素原子の量が1×1015個/cm
2 以下である。
A composite material according to one aspect of the present invention comprises a matrix and a reinforcement material dispersed in the matrix and comprising vapor phase synthetic diamond, wherein the portion of the vapor phase synthetic diamond which is the interface with the matrix. The amount of hydrogen atoms present in the is 1 × 10 15 / cm
2 or less.

【0009】本発明のもう1つの局面に従う複合材料
は、マトリックスと、マトリックス中に分散され、かつ
気相合成ダイヤモンドを主成分とする強化材とを備え、
強化材は少なくともマトリックスとの境界部分に、ダイ
ヤモンド自体よりもマトリックスと強く結合する層を有
し、この層は、それがない場合よりも、ダイヤモンドと
マトリックスとの結合をより強める。
A composite material according to another aspect of the present invention comprises a matrix and a reinforcing material dispersed in the matrix and based on vapor-phase synthetic diamond.
The reinforcement has, at least at the interface with the matrix, a layer that bonds more strongly to the matrix than to the diamond itself, which layer provides a stronger bond between the diamond and the matrix than without it.

【0010】本発明のさらなる局面に従って、ダイヤモ
ンド強化複合材料の製造方法が提供され、この方法は、
強化材としての気相合成ダイヤモンドを提供するステッ
プと、気相合成ダイヤモンドの表面から水素を除去する
ステップと、水素が除去された気相合成ダイヤモンドと
マトリックス材料とを混合して複合材料を形成するステ
ップとを備える。
According to a further aspect of the invention, there is provided a method of making a diamond reinforced composite material, the method comprising:
Providing vapor-phase synthetic diamond as a reinforcement, removing hydrogen from the surface of the vapor-phase synthetic diamond, and mixing the hydrogen-depleted vapor-phase synthetic diamond with a matrix material to form a composite material And steps.

【0011】本発明のさらなる局面に従って、ダイヤモ
ンド強化複合材料の製造方法が提供され、この方法は、
少なくとも表面にダイヤモンドよりも強くマトリックス
材料に結合できる層を有し、かつ気相合成ダイヤモンド
を主成分とする強化材を準備するステップと、その強化
材とマトリックス材料とを混合して複合材料を形成する
ステップとを備える。
According to a further aspect of the invention, there is provided a method of making a diamond reinforced composite material, the method comprising:
A step of preparing a reinforcing material having a layer capable of bonding to a matrix material stronger than that of diamond at least on the surface and having vapor phase synthetic diamond as a main component, and mixing the reinforcing material and the matrix material to form a composite material And a step of performing.

【0012】本発明において、強化材は、針状ダイヤモ
ンド、ダイヤモンド繊維、ダイヤモンドウィスカ、多孔
質ダイヤモンドおよびそれらの組合せからなる群から選
択された少なくとも1つの気相合成ダイヤモンドからな
ることができる。
In the present invention, the reinforcing material can be composed of at least one vapor-phase synthetic diamond selected from the group consisting of acicular diamond, diamond fiber, diamond whiskers, porous diamond and combinations thereof.

【0013】図1は、本発明に従う複合材料の一例を模
式的に示す断面図である。マトリックス1中には、ダイ
ヤモンドからなる強化材2が分散されている。強化材2
の表面には、マトリックスとダイヤモンドとの結合を向
上させるための中間層3が存在する。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing an example of a composite material according to the present invention. In the matrix 1, a reinforcing material 2 made of diamond is dispersed. Reinforcement 2
An intermediate layer 3 for improving the bond between the matrix and the diamond is present on the surface of the.

【0014】本発明の好ましい態様の1つにおいて、強
化材としての気相合成ダイヤモンドの表面から水素が除
去される。本発明者らは、気相合成ダイヤモンドとマト
リックスとの結合強度が不足する原因を追究してきた結
果、気相合成の過程でダイヤモンドの表面に結合する水
素がマトリックスとダイヤモンドとの結合を阻害するこ
とを見出した。たとえば、マトリックスとして金属を用
いる場合、この水素によって、界面に脆い金属水素化合
物が形成される。この化合物がダイヤモンドと金属との
結合を弱める。したがって、気相合成ダイヤモンドを強
化材として用いる場合、表面に結合している水素を取り
除くことが重要である。また、マトリックスとして樹脂
を用いる場合にも、水素の除去は、ダイヤモンドと樹脂
とのより強い結合をもたらす。本発明に従って、ダイヤ
モンド表面に結合する水素原子の量は、1×1015個/
cm2 以下とされる。実際的には、たとえば、ダイヤモ
ンド表面における水素原子の量は、1.5×1013個/
cm2 〜1×1015個/cm2 、好ましくは1.5×1
13個/cm2 〜2×1014個/cm2 である。特にマ
トリックスとして金属または有機ポリマーを用いる場
合、水素原子の量が1×1015個/cm2 以下である気
相合成ダイヤモンドの表面は、十分な強度でマトリック
スと結合し、ダイヤモンド強化複合材料を与える。
In one of the preferred embodiments of the present invention, hydrogen is removed from the surface of vapor phase synthetic diamond as a reinforcing material. As a result of investigating the cause of insufficient bond strength between the vapor-phase synthetic diamond and the matrix, the present inventors have found that hydrogen bonded to the surface of the diamond during the vapor-phase synthesis inhibits the bond between the matrix and the diamond. Found. For example, when a metal is used as the matrix, this hydrogen forms a brittle metal-hydrogen compound at the interface. This compound weakens the bond between diamond and metal. Therefore, when vapor phase synthetic diamond is used as a reinforcing material, it is important to remove hydrogen bonded to the surface. Also, when using a resin as the matrix, the removal of hydrogen results in a stronger bond between the diamond and the resin. According to the present invention, the amount of hydrogen atoms bonded to the diamond surface is 1 × 10 15 /
It is cm 2 or less. Practically, for example, the amount of hydrogen atoms on the diamond surface is 1.5 × 10 13 /
cm 2 to 1 × 10 15 pieces / cm 2 , preferably 1.5 × 1
It is 0 13 pieces / cm 2 to 2 × 10 14 pieces / cm 2 . Especially when a metal or an organic polymer is used as the matrix, the surface of the vapor-phase synthetic diamond having an amount of hydrogen atoms of 1 × 10 15 / cm 2 or less is bonded to the matrix with sufficient strength to give a diamond-reinforced composite material. .

【0015】本発明において、気相合成ダイヤモンドの
表面から水素を除去する工程は、酸化的雰囲気下、ダイ
ヤモンドを150℃〜800℃の温度で熱処理すること
を含んでもよい。酸化雰囲気として、空気またはそれ以
上に酸素を含有する雰囲気を用いることができる。酸化
雰囲気下において、150℃未満の温度では、気相合成
ダイヤモンドの炭素原子に結合する水素を十分効果的に
取り除くことができない。一方、800℃を超える温度
では、酸化的雰囲気下においてダイヤモンドが強く浸食
される恐れがある。別の態様において、ダイヤモンドの
表面から水素を取り除くため、気相合成ダイヤモンド
を、非酸化的雰囲気下、800℃〜1500℃の温度で
加熱することができる。非酸化的雰囲気として、たとえ
ば、不活性ガスまたは真空を用いることができる。非酸
化的雰囲気下では、800℃未満の温度は、水素を炭素
原子から離脱させるのに十分ではない。一方、1500
℃の温度を超えると、非酸化的雰囲気下でもダイヤモン
ドが浸食される恐れがある。さらなる態様において、気
相合成ダイヤモンドの表面から水素を除くステップは、
酸素を含むプラズマ中にダイヤモンドを曝露するステッ
プを含むことができる。この場合、室温でもダイヤモン
ドの表面に結合する水素を離脱させることができる。
In the present invention, the step of removing hydrogen from the surface of the vapor phase synthetic diamond may include heat treating the diamond at a temperature of 150 ° C. to 800 ° C. in an oxidizing atmosphere. As the oxidizing atmosphere, an atmosphere containing air or more oxygen can be used. In an oxidizing atmosphere, at a temperature of less than 150 ° C., hydrogen bonded to carbon atoms of vapor phase synthetic diamond cannot be removed sufficiently effectively. On the other hand, if the temperature exceeds 800 ° C., the diamond may be strongly eroded in the oxidizing atmosphere. In another aspect, vapor phase synthetic diamond can be heated at a temperature of 800 ° C. to 1500 ° C. under a non-oxidizing atmosphere to remove hydrogen from the surface of the diamond. As the non-oxidizing atmosphere, for example, an inert gas or vacuum can be used. Under a non-oxidizing atmosphere, temperatures below 800 ° C. are not sufficient to desorb hydrogen from carbon atoms. Meanwhile, 1500
Above the temperature of ° C, diamond may be corroded even in a non-oxidizing atmosphere. In a further aspect, the step of removing hydrogen from the surface of the vapor phase synthetic diamond comprises:
The step of exposing the diamond to a plasma containing oxygen may be included. In this case, hydrogen bonded to the surface of the diamond can be released even at room temperature.

【0016】本発明のもう1つの好ましい局面に従っ
て、気相合成ダイヤモンドの少なくとも表面に、ダイヤ
モンド以外の材料またはドーピングされたダイヤモンド
からなる層を形成し、その層を介してダイヤモンドとマ
トリックスとの結合力を強めることができる。この中間
層は、ダイヤモンドとマトリックスの両方に強く結合す
る。1つの好ましい態様において、中間層は、グラファ
イトからなることができる。グラファイト層は、たとえ
ば、ダイヤモンドの表面を加熱することにより形成でき
る。たとえば非酸化的雰囲気下、1000℃〜1500
℃の温度で、気相合成ダイヤモンドを加熱することによ
り、ダイヤモンドの表面をグラファイト質炭素層に変え
ることができる。1000℃未満の温度では、グラファ
イトの生成があまり進行しない一方、1500℃を超え
ると、ダイヤモンド全体がグラファイトになってしまう
恐れがある。
According to another preferred aspect of the present invention, a layer composed of a material other than diamond or doped diamond is formed on at least the surface of vapor-phase synthetic diamond, and the bonding force between the diamond and the matrix is formed through the layer. Can be strengthened. This intermediate layer bonds strongly to both the diamond and the matrix. In one preferred embodiment, the intermediate layer can consist of graphite. The graphite layer can be formed, for example, by heating the surface of diamond. For example, in a non-oxidizing atmosphere, 1000 ° C to 1500
By heating the vapor phase synthetic diamond at a temperature of ° C, the surface of the diamond can be converted into a graphitic carbon layer. If the temperature is lower than 1000 ° C., the formation of graphite does not proceed so much, whereas if it exceeds 1500 ° C., the whole diamond may become graphite.

【0017】さらなる好ましい態様において、中間層ま
たは強化材自体が、硼素(B)、窒素(N)、またはそ
れらの組合せがドーピング(添加)された気相合成ダイ
ヤモンドからなることができる。BおよびNは、ダイヤ
モンドの機械的特性を失わせることなく、ダイヤモンド
中に多量に添加することができ、ダイヤモンドの表面を
マトリックスとの結合について改善する。かなりの量を
添加できる点、およびダイヤモンドの機械的特性を劣化
させない点で、BおよびNは不純物(ドーパント)とし
て適している。また、BおよびNは、ダイヤモンドを蒸
着するに際し、容易に不純物としてダイヤモンド中に導
入することができる。BまたはNがドープされたダイヤ
モンドは、従来の技術に従って蒸着することができ、そ
のような技術は、たとえば、特開昭58−135117
および特開昭59−137396に開示される。B、N
またはそれらの組合せのダイヤモンドにおける濃度は、
好ましくは、50〜20000ppmの範囲である。5
0ppm未満でドープされたダイヤモンドは、マトリッ
クスとの結合性を向上させるのに十分でない。一方、不
純物の濃度が20000ppmを超えると、ドープされ
たダイヤモンドの強度は低下してくる。また、ダイヤモ
ンド自体の強度を低下させずに不純物を多量にダイヤモ
ンド中に導入するため、BおよびNを1:1のモル重量
比でダイヤモンド中に同時にかつ均一にドープすること
がより好ましい。ドープされたダイヤモンドにコーティ
ングされるダイヤモンド強化材を形成するプロセスは、
気相合成によりダイヤモンドを形成するステップと、そ
の上に、B、Nまたはそれらの組合せをドーピングしな
がらダイヤモンド層を蒸着させるステップとを備えるこ
とができる。
In a further preferred embodiment, the intermediate layer or the reinforcement itself may consist of vapor phase synthetic diamond doped with boron (B), nitrogen (N), or a combination thereof. B and N can be added in large amounts in the diamond without losing the mechanical properties of the diamond and improve the surface of the diamond for bonding with the matrix. B and N are suitable as impurities (dopants) in that they can be added in a considerable amount and do not deteriorate the mechanical properties of diamond. Further, B and N can be easily introduced into the diamond as impurities when the diamond is vapor-deposited. B or N-doped diamond can be deposited according to conventional techniques, such techniques being described, for example, in JP 58-135117.
And JP-A-59-137396. B, N
Or the concentration in diamond of those combinations is
It is preferably in the range of 50 to 20000 ppm. 5
Diamond doped below 0 ppm is not sufficient to improve the bondability with the matrix. On the other hand, if the concentration of impurities exceeds 20000 ppm, the strength of the doped diamond decreases. Further, in order to introduce a large amount of impurities into diamond without lowering the strength of diamond itself, it is more preferable to dope B and N into the diamond simultaneously and uniformly in a molar weight ratio of 1: 1. The process of forming diamond reinforcement coated on doped diamond is
The method may comprise forming diamond by vapor phase synthesis, and depositing a diamond layer thereon while doping with B, N or a combination thereof.

【0018】本発明において、マトリックスには、金
属、半金属、セラミックス、樹脂等の有機ポリマーおよ
びそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも
1つの材料を用いることができる。マトリックス金属ま
たは半金属は、Al、Mg、Ti、Si、Be、Zr、
Ni、Co、Fe、Cr、およびそれらの合金からなる
群から選択することができる。合金は、これらの金属を
20%以上含むことが好ましい。マトリックス金属は、
表面が修飾されたダイヤモンドと混合され、次いで、混
合物に、圧延または押出し等の塑性加工が施され、シー
ト状または線状のダイヤモンド強化金属を形成する。こ
の場合、原料混合物に占めるダイヤモンドの含有量は、
容量比で60%以下が好ましく、より好ましくは5〜5
0容量%である。これよりも原料中にダイヤモンド成分
を多く含有させると、かえってダイヤモンド強化金属の
強度が低下するようになる。
In the present invention, at least one material selected from the group consisting of metals, semimetals, ceramics, organic polymers such as resins, and combinations thereof can be used for the matrix. The matrix metal or metalloid is Al, Mg, Ti, Si, Be, Zr,
It can be selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Cr, and alloys thereof. The alloy preferably contains 20% or more of these metals. The matrix metal is
The surface-modified diamond is mixed, and then the mixture is subjected to plastic working such as rolling or extrusion to form a sheet-shaped or linear diamond-reinforced metal. In this case, the content of diamond in the raw material mixture is
The volume ratio is preferably 60% or less, more preferably 5 to 5
It is 0% by volume. If the raw material contains more diamond component than this, the strength of the diamond-reinforced metal will rather decrease.

【0019】一方、マトリックスは、Al、Mg、S
i、B、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Taおよ
びWの炭化物、窒化物、硼化物ならびに酸化物、ならび
にそれらの組合せからなる群から選択される化合物から
なることができる。具体的には、マトリックスとして、
Si3 4 、SiC、ジルコニア、アルミナ、ムライト
等のセラミックスを用いることができる。SiCおよび
Si3 4 等のセラミックスは、表面が修飾されたダイ
ヤモンドと混合され、次いで、混合物は成形され、かつ
焼成されて、ダイヤモンド強化セラミックスを与える。
On the other hand, the matrix is Al, Mg, S
It may consist of a compound selected from the group consisting of i, B, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W carbides, nitrides, borides and oxides, and combinations thereof. Specifically, as a matrix,
Ceramics such as Si 3 N 4 , SiC, zirconia, alumina, and mullite can be used. Ceramics such as SiC and Si 3 N 4 are mixed with surface-modified diamond, then the mixture is shaped and fired to give diamond-reinforced ceramics.

【0020】マトリックスとして有機ポリマーを用いる
場合、ダイヤモンドは、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹
脂と複合することができる。熱可塑性樹脂には、付加重
合系のポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニ
ル、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、フッ素樹脂、
ポリメタクリル酸メチル、重縮合系のポリアミド、ポリ
エステル、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシ
ド、重付加系の熱可塑性ポリウレタン、および開環重合
系のポリアセタールなどがある。熱可塑性樹脂と表面が
修飾されたダイヤモンドの混合物は、通常の射出成形法
により成形され、複合材料を与えることができる。熱硬
化性樹脂には、尿素樹脂、メラミン樹脂およびフェノー
ル樹脂などがある。マトリックスとして熱硬化性樹脂を
用いる場合、液状のマトリックスに表面が修飾されたダ
イヤモンドを混合し、加熱して硬化させることにより複
合材料を製造することができる。また、その他に、ポリ
イミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスル
ホン、ポリエーテルケトン、ポリアミドイミド、エポキ
シ樹脂などを用いることができる。
When an organic polymer is used as the matrix, diamond can be combined with a thermoplastic resin or a thermosetting resin. Thermoplastic resins include addition-polymerized polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polyvinylidene chloride, fluororesins,
Examples include polymethylmethacrylate, polycondensation type polyamides, polyesters, polycarbonates, polyphenylene oxides, polyaddition type thermoplastic polyurethanes, and ring-opening polymerization type polyacetals. A mixture of thermoplastic resin and surface modified diamond can be molded by conventional injection molding methods to provide a composite material. Thermosetting resins include urea resins, melamine resins and phenolic resins. When a thermosetting resin is used as the matrix, a composite material can be produced by mixing surface-modified diamond with a liquid matrix and heating to mix. In addition, polyimide, polyphenylene sulfide, polyether sulfone, polyether ketone, polyamide imide, epoxy resin, or the like can be used.

【0021】[0021]

【発明の作用効果】本発明に従ってダイヤモンド表面を
改質すれば、ダイヤモンドとマトリックス材料との結合
が顕著に向上する。このことは、機械的強度に優れた複
合材料だけでなく、大面積または長尺の複合材料をもた
らす。もし、気相合成ダイヤモンドの表面に何も修飾を
施さずにマトリックスと混合すれば、強度の低い複合材
料が得られ、また大面積または長尺の複合材料を得るこ
とは困難である。本発明に従う複合材料は、優れた耐摩
耗性、熱伝導性、耐熱性、耐食性、耐放射線性および高
い機械的強度を有する。本発明の複合材料は、従来より
も広い範囲の用途、および過酷な条件下の用途において
使用することができる。たとえば、本発明の複合材料
は、優れた耐摩耗性を有するので、摺動材に従来よりも
長い寿命を与えることができる。また、放射線に強い本
発明の材料は、宇宙航空機の分野において、機体を構成
するため用いることができる。さらに、本発明はダイヤ
モンドのマトリックスへの結合性を高めたことで、使用
できるマトリックスの範囲を広げるものである。
By modifying the diamond surface according to the present invention, the bond between the diamond and the matrix material is significantly improved. This results not only in a composite material having excellent mechanical strength, but also in a composite material having a large area or a long length. If the surface of the vapor-phase synthetic diamond is mixed with the matrix without any modification, it is possible to obtain a composite material having low strength, and it is difficult to obtain a composite material having a large area or a long length. The composite material according to the present invention has excellent wear resistance, thermal conductivity, heat resistance, corrosion resistance, radiation resistance and high mechanical strength. The composite material of the present invention can be used in a wider range of applications than ever before and under severe conditions. For example, since the composite material of the present invention has excellent wear resistance, the sliding material can have a longer life than ever. Further, the radiation-resistant material of the present invention can be used for constructing a fuselage in the field of space aircraft. Further, the present invention extends the bondability of diamond to the matrix, thereby expanding the range of usable matrices.

【0022】以下に例によって本発明をさらに詳細に記
述する。
The invention is described in more detail below by means of examples.

【0023】[0023]

【実施例】【Example】

実施例1 特開平1−246116号公報に記載される技術に従っ
て、以下の通り、強化材としてのダイヤモンドを調製し
た。マイクロ波プラズマCVDにおいて、シリコン基板
上に、厚さ約100μmのダイヤモンド膜を堆積させ
た。CVDの条件は以下のとおりである。
Example 1 A diamond as a reinforcing material was prepared as follows according to the technique described in JP-A-1-246116. In microwave plasma CVD, a diamond film having a thickness of about 100 μm was deposited on a silicon substrate. The CVD conditions are as follows.

【0024】原料:メタン3%−水素混合ガス 圧力:40Torr 基板温度:850℃ 得られたダイヤモンド膜は、プラズマエッチング装置に
おいて、980℃の膜温度で圧力80Torrの水素プ
ラズマに約20分間晒された。処理された膜を、希薄な
フッ酸−硝酸混合液でシリコン基板を溶解することによ
って、基板から分離した。その結果、プラズマ処理によ
り亀裂の入ったダイヤモンド膜が細く分解し、平均長さ
約100μm、平均直径約5μmの針状および繊維状ダ
イヤモンド(以下ダイヤモンド繊維と呼ぶ)が得られ
た。
Raw material: 3% methane-hydrogen mixed gas pressure: 40 Torr Substrate temperature: 850 ° C. The obtained diamond film was exposed to hydrogen plasma at a film temperature of 980 ° C. and a pressure of 80 Torr for about 20 minutes in a plasma etching apparatus. . The treated film was separated from the substrate by dissolving the silicon substrate with a dilute hydrofluoric acid-nitric acid mixture. As a result, the cracked diamond film was finely decomposed by the plasma treatment, and needle-like and fibrous diamonds (hereinafter referred to as diamond fibers) having an average length of about 100 μm and an average diameter of about 5 μm were obtained.

【0025】得られたダイヤモンド繊維約2gを反応室
に収容し、空気中、500℃で1時間保持した。これに
より、ダイヤモンドの表面から水素が除去された。一
方、ダイヤモンド繊維表面の水素量を直接測ることは困
難であったため、次のような実験を行なった。上述と同
様の条件で単結晶ダイヤモンド基板上に気相合成された
ダイヤモンド膜を反応室に収容し、空気中、500℃で
1時間保持した。その後、ダイヤモンド膜表面の水素原
子の量をERD(エラスティック・リコイル・ディテク
ション)法により測定したところ、その量は9.6×1
13個/cm2 であった。この結果から、ダイヤモンド
繊維表面の水素原子の量も約9.6×10 13個/cm2
であると推測された。このように表面が改質されたダイ
ヤモンド繊維2gと、市販のポリエチレンペレット20
gとを混合し、大気中で400℃に加熱し、射出成形し
て、ダイヤモンド強化ポリエチレン樹脂を作製した。得
られたダイヤモンド強化樹脂を試料Aとする。試料Aの
弾性率および引張り強度を測定した。その結果を表1に
示す。
About 2 g of the obtained diamond fiber was added to the reaction chamber.
And stored in air at 500 ° C. for 1 hour. to this
As a result, hydrogen was removed from the surface of the diamond. one
However, it is difficult to directly measure the amount of hydrogen on the diamond fiber surface.
Since it was difficult, the following experiment was conducted. Same as above
Phase-deposited on a single crystal diamond substrate under similar conditions
The diamond film is housed in a reaction chamber, and at 500 ° C in air.
Hold for 1 hour. Then, the hydrogen source on the diamond film surface
ERD (Elastic Recoil Detec
Method), the amount is 9.6 × 1
013Pieces / cm2Met. From this result, the diamond
The amount of hydrogen atoms on the fiber surface is also about 9.6 × 10. 13Pieces / cm2
Was inferred. Die with surface modified in this way
2 g of yamond fiber and 20 commercially available polyethylene pellets
g, heat to 400 ° C in the atmosphere, and injection mold
Thus, a diamond reinforced polyethylene resin was produced. Profit
The obtained diamond reinforced resin is designated as sample A. Of sample A
The elastic modulus and tensile strength were measured. The results are shown in Table 1.
Show.

【0026】実施例2 実施例1で得られたダイヤモンド繊維約2gを反応室に
収容し、10-4Torrの真空中、850℃で1時間保
持した。これにより、ダイヤモンドの表面からは水素が
除去された。一方、ダイヤモンド繊維表面の水素量を直
接測定するのは困難であったため、次のような実験を行
なった。上述と同様の条件で単結晶ダイヤモンド基板上
に気相合成されたダイヤモンド膜を反応室に収容し、1
-4Torrの真空中、850℃で1時間保持した。そ
の後、ダイヤモンド膜表面の水素量をERD法により測
定したところ、その量は7.9×1013個/cm2 であ
った。この結果から、ダイヤモンド繊維表面の水素量も
約8×1013個/cm2 であると推測された。このよう
に表面が改質されたダイヤモンド繊維2gと、市販のポ
リエチレンペレット約20gとを混合し、大気中で40
0℃に加熱、射出成形して、ダイヤモンド強化ポリエチ
レン樹脂を作製した。得られたダイヤモンド強化樹脂を
試料Bとする。試料Bの弾性率および引張り強度を測定
した。その結果を表1に示す。
Example 2 About 2 g of the diamond fiber obtained in Example 1 was placed in a reaction chamber and kept at 850 ° C. for 1 hour in a vacuum of 10 −4 Torr. As a result, hydrogen was removed from the surface of the diamond. On the other hand, since it was difficult to directly measure the amount of hydrogen on the surface of the diamond fiber, the following experiment was conducted. Under the same conditions as above, the diamond film vapor-deposited on the single crystal diamond substrate was placed in the reaction chamber, and 1
It was kept at 850 ° C. in a vacuum of 0 −4 Torr for 1 hour. Then, when the amount of hydrogen on the surface of the diamond film was measured by the ERD method, the amount was 7.9 × 10 13 pieces / cm 2 . From this result, it was estimated that the amount of hydrogen on the surface of the diamond fiber was also about 8 × 10 13 pieces / cm 2 . 2 g of the surface-modified diamond fiber was mixed with about 20 g of commercially available polyethylene pellets, and the mixture was mixed in the air at 40 g.
A diamond reinforced polyethylene resin was produced by heating at 0 ° C. and injection molding. The obtained diamond reinforced resin is referred to as Sample B. The elastic modulus and tensile strength of sample B were measured. The results are shown in Table 1.

【0027】実施例3 実施例1で得られたダイヤモンド繊維約2gを反応室に
収容し、10-4Torrの真空中、1200℃で1時間
保持した。表面増感ラマン分光法による分析の結果、ダ
イヤモンド炭素のピーク(X)とグラファイト炭素のピ
ーク(Y)の比(Y/X)が0.91となり、表面にグ
ラファイトが形成されていることが確認された。このよ
うに表面が改質されたダイヤモンド繊維2gと、市販の
ポリエチレンペレット20gとを混合し、大気中で40
0℃に加熱し、射出成形して、ダイヤモンド強化ポリエ
チレン樹脂を作製した。得られた複合材料を試料Cと
し、その弾性率および引張り強度を測定した。その結果
を表1に示す。
Example 3 About 2 g of the diamond fiber obtained in Example 1 was placed in a reaction chamber and kept at 1200 ° C. for 1 hour in a vacuum of 10 −4 Torr. As a result of analysis by surface-sensitized Raman spectroscopy, the ratio (Y / X) of the peak (X) of diamond carbon and the peak (Y) of graphite carbon was 0.91, confirming that graphite was formed on the surface. Was done. 2 g of the surface-modified diamond fiber was mixed with 20 g of commercially available polyethylene pellets, and the mixture was mixed in the air at 40 g.
It was heated to 0 ° C. and injection-molded to produce a diamond-reinforced polyethylene resin. The obtained composite material was used as sample C, and its elastic modulus and tensile strength were measured. The results are shown in Table 1.

【0028】実施例4 実施例1で得られたダイヤモンド繊維約2gを反応室に
収容し、室温で、80Wの高周波放電が印加された0.
2Torrの水蒸気雰囲気に10分間曝露した。これに
より、ダイヤモンドの表面から水素が除去された。表面
が改質されたダイヤモンド繊維約2gと、市販のポリエ
チレンペレット20gとを混合し、大気中で400℃に
加熱し、射出成形して、ダイヤモンド強化ポリエチレン
樹脂を作製した。得られた複合材料を試料Dとし、その
弾性率および引張り強度を測定した。その結果を表1に
示す。
Example 4 About 2 g of the diamond fiber obtained in Example 1 was placed in a reaction chamber, and a high frequency discharge of 80 W was applied at room temperature.
It was exposed to a steam atmosphere of 2 Torr for 10 minutes. This removed hydrogen from the surface of the diamond. About 2 g of the surface-modified diamond fiber and 20 g of commercially available polyethylene pellets were mixed, heated to 400 ° C. in the air, and injection-molded to prepare a diamond-reinforced polyethylene resin. The obtained composite material was designated as Sample D, and its elastic modulus and tensile strength were measured. The results are shown in Table 1.

【0029】参考例1 公知のスパッタ法により、実施例1で得られたダイヤモ
ンド繊維の表面にTiを約0.02μmの厚さで被覆し
た。表面にTi層を有するダイヤモンド繊維2gと市販
のポリエチレンペレット20gとを混合し、大気中で4
00℃に加熱し、射出成形して、ダイヤモンド強化ポリ
エチレン樹脂を作製した。得られた複合材料を試料Eと
し、その弾性率および引張り強度を測定した。その結果
を表1に示す。
Reference Example 1 The diamond fiber obtained in Example 1 was coated with Ti to a thickness of about 0.02 μm by a known sputtering method. 2 g of diamond fibers having a Ti layer on the surface and 20 g of commercially available polyethylene pellets were mixed and the mixture was mixed in air to
It was heated to 00 ° C. and injection-molded to produce a diamond-reinforced polyethylene resin. The obtained composite material was designated as Sample E, and its elastic modulus and tensile strength were measured. The results are shown in Table 1.

【0030】比較例1 実施例1で得られたダイヤモンド繊維約2gを反応室に
収容し、室温で、150Wのマイクロ波放電が印加され
た5Torrの水素雰囲気に30分間曝露した。一方、
例1と同様の条件で、単結晶ダイヤモンド基板上に気相
合成されたダイヤモンド膜を反応室に収容し、室温で、
150Wのマイクロ波が印加された5Torrの水素雰
囲気に30分間曝露した。ダイヤモンド膜表面の水素原
子の量をERDにより測定したところ、2.4×1015
個/cm2 であった。したがって、ダイヤモンド繊維表
面の水素原子の量は、少なくとも2.4×1015個/c
2 であると推測された。処理されたダイヤモンド繊維
2gと、市販のポリエチレンペレット20gとを混合
し、大気中で400℃に加熱し、射出成形して、ダイヤ
モンド強化ポリエチレン樹脂を作製した。得られた複合
材料を試料Fとし、その弾性率および引張り強度を測定
した。その結果を表1に示す。 比較例2 実施例1で得られたダイヤモンド繊維をその表面に処理
を施すことなくそのまま複合材料の形成に用いた。ダイ
ヤモンド繊維2gと市販のポリエチレンペレット20g
とを混合し、大気中で400℃に加熱し、射出成形し
て、ダイヤモンド強化ポリエチレン樹脂を作製した。得
られた複合材料を試料Gとし、その弾性率および引張り
強度を測定した。その結果を表1に示す。
Comparative Example 1 About 2 g of the diamond fiber obtained in Example 1 was placed in the reaction chamber.
Housed and subjected to 150 W microwave discharge at room temperature
Exposed to a hydrogen atmosphere of 5 Torr for 30 minutes. on the other hand,
Under the same conditions as in Example 1, vapor phase was formed on a single crystal diamond substrate.
The synthesized diamond film was placed in a reaction chamber and at room temperature,
5 Torr hydrogen atmosphere with 150 W microwave applied
The atmosphere was exposed for 30 minutes. Hydrogen source on diamond film surface
The amount of offspring was measured by ERD to be 2.4 × 1015
Pieces / cm2Met. Therefore, the diamond fiber table
The amount of hydrogen atoms on the surface is at least 2.4 × 10.15Pieces / c
m 2Was inferred. Treated diamond fiber
Mix 2g with 20g of commercially available polyethylene pellets
Then, heat it to 400 ℃ in the atmosphere, injection mold it, and
A Mondo reinforced polyethylene resin was prepared. Obtained composite
The material is sample F, and its elastic modulus and tensile strength are measured.
did. The results are shown in Table 1. Comparative example 2 The surface of the diamond fiber obtained in Example 1 was treated.
It was directly used for forming a composite material without applying. Die
2 g of yamond fiber and 20 g of commercially available polyethylene pellets
And are mixed, heated to 400 ° C in the atmosphere, and injection molded
Thus, a diamond reinforced polyethylene resin was produced. Profit
The obtained composite material is designated as sample G, and its elastic modulus and tensile
The strength was measured. The results are shown in Table 1.

【0031】[0031]

【表1】 [Table 1]

【0032】表1の結果から、本発明に従うダイヤモン
ド強化ポリエチレン樹脂は、比較例に比べ弾性率および
引張り強度がともに向上していることが認められた。
From the results shown in Table 1, it was confirmed that the diamond-reinforced polyethylene resin according to the present invention had both improved elastic modulus and tensile strength as compared with Comparative Examples.

【0033】実施例5 実施例1と同様の条件で合成、および空気中加熱処理を
行ない、表面の水素を除去したダイヤモンド繊維約3g
と、Siが8重量%固溶したAl粉末30gとを混合
し、得られた混合物を400℃で焼結してダイヤモンド
強化アルミニウム合金を作製した。得られた複合材料を
Hとし、その弾性率および引張り強度を測定した。その
結果を表2に示す。
Example 5 About 3 g of diamond fiber whose surface hydrogen was removed by synthesizing under the same conditions as in Example 1 and performing heat treatment in air
Was mixed with 30 g of Al powder in which Si was dissolved at 8% by weight, and the obtained mixture was sintered at 400 ° C. to produce a diamond-reinforced aluminum alloy. The obtained composite material was designated as H, and its elastic modulus and tensile strength were measured. The results are shown in Table 2.

【0034】実施例6 実施例3と同様の条件下で合成および真空中の加熱処理
を行ない、表面にグラファイトが形成されているダイヤ
モンド繊維約3gと、Siが8重量%固溶したAl粉末
30gとを混合し、得られた混合物を400℃で焼結し
てダイヤモンド強化アルミニウム合金を作製した。得ら
れた複合材料をIとし、その弾性率および引張り強度を
測定した。結果を表2に示す。
Example 6 Synthesis and heat treatment in a vacuum were carried out under the same conditions as in Example 3, and about 3 g of diamond fiber having graphite formed on the surface and 30 g of Al powder in which Si was dissolved in 8% by weight. And were mixed, and the obtained mixture was sintered at 400 ° C. to prepare a diamond-reinforced aluminum alloy. The obtained composite material was designated as I, and its elastic modulus and tensile strength were measured. The results are shown in Table 2.

【0035】[0035]

【表2】 [Table 2]

【0036】参考例2 マイクロ波プラズマCVDにおいて、シリコン基板上
に、厚さ約150μmのダイヤモンド膜を堆積させた。
CVDの条件は以下のとおりである。
Reference Example 2 In microwave plasma CVD, a diamond film having a thickness of about 150 μm was deposited on a silicon substrate.
The CVD conditions are as follows.

【0037】原料:メタン3%−水素混合ガス 圧力:40Torr 基板温度:850℃ 得られたダイヤモンド膜は、プラズマエッチング装置に
おいて、980℃の膜温度で、圧力80Torrの水素
プラズマに約20分間晒された。処理された膜を、希薄
なフッ酸−硝酸混合液でシリコン基板を溶解することに
よって、基板から分離した。その結果、プラズマエッチ
ングにより亀裂の入ったダイヤモンド膜が細く分離し、
平均長さ約150μm、平均直径約8μmの針状および
繊維状ダイヤモンド(以下ダイヤモンド繊維と呼ぶ)が
得られた。
Raw material: 3% methane-hydrogen mixed gas pressure: 40 Torr Substrate temperature: 850 ° C. The obtained diamond film was exposed to hydrogen plasma at a pressure of 80 Torr at a film temperature of 980 ° C. for about 20 minutes in a plasma etching apparatus. It was The treated film was separated from the substrate by dissolving the silicon substrate with a dilute hydrofluoric acid-nitric acid mixture. As a result, the diamond film with cracks was finely separated by plasma etching,
Needle-like and fibrous diamonds (hereinafter referred to as diamond fibers) having an average length of about 150 μm and an average diameter of about 8 μm were obtained.

【0038】公知のスパッタ法により、得られたダイヤ
モンド繊維の表面にSiを約0.03μmの厚さで堆積
した。次に、Siで被覆されたダイヤモンド繊維3g
と、Siが8wt%固溶されたAl粉末30gとを混合
し、得られた混合物を400℃で焼結し、ダイヤモンド
強化アルミニウム合金を作製した。得られた複合材料を
試料Jとし、その弾性率と引張り強度を測定した。その
結果を表3に示す。
Si was deposited to a thickness of about 0.03 μm on the surface of the obtained diamond fiber by a known sputtering method. Next, 3 g of diamond fiber coated with Si
Was mixed with 30 g of Al powder in which Si was dissolved at 8 wt% and the obtained mixture was sintered at 400 ° C. to produce a diamond reinforced aluminum alloy. The obtained composite material was designated as Sample J, and its elastic modulus and tensile strength were measured. The results are shown in Table 3.

【0039】参考例3 参考例2 で得られたダイヤモンド繊維を反応室に収容
し、60Torrの反応室圧力下、1250℃の温度
で、H2ガスにSiH4を0.5容量%混合した流速10
00sccmのガスに1時間晒した。これにより、ダイ
ヤモンド繊維の表面にSiC層を形成することができ
た。ダイヤモンド繊維の表面がSiCに変えられたこと
はX線光電子分光により確認された。次に、表面にSi
Cを有するダイヤモンド繊維3gと、Siが8wt%固
溶したAl粉末30gとを混合し、得られた混合物を4
00℃で焼結し、ダイヤモンド強化アルミニウム合金を
作製した。得られた複合材料を試料Kとし、その弾性率
と引張り強度を測定した。その結果を表3に示す。
Reference Example 3 The diamond fiber obtained in Reference Example 2 was placed in a reaction chamber, and a flow rate of 0.5% by volume of SiH 4 mixed with H 2 gas at a temperature of 1250 ° C. under a reaction chamber pressure of 60 Torr. 10
It was exposed to a gas of 00 sccm for 1 hour. Thereby, the SiC layer could be formed on the surface of the diamond fiber. It was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy that the surface of the diamond fiber was changed to SiC. Next, Si on the surface
3 g of diamond fiber having C was mixed with 30 g of Al powder in which Si was 8 wt% as a solid solution, and the obtained mixture was mixed with 4 g.
Sintering was performed at 00 ° C. to produce a diamond reinforced aluminum alloy. The obtained composite material was used as a sample K, and its elastic modulus and tensile strength were measured. The results are shown in Table 3.

【0040】比較例3参考例2 で得られたそのままのダイヤモンド繊維3g
と、Siが8wt%固溶したAl粉末30gとを混合
し、得られた混合物を400℃で焼結し、ダイヤモンド
強化アルミニウム合金を作製した。得られた複合材料を
試料Lとし、その弾性率と引張り強度を測定した。結果
を表3に示す。
Comparative Example 3 3 g of the intact diamond fiber obtained in Reference Example 2
And 30 g of Al powder in which Si was dissolved at 8 wt% were mixed, and the obtained mixture was sintered at 400 ° C. to produce a diamond-reinforced aluminum alloy. The obtained composite material was used as sample L, and its elastic modulus and tensile strength were measured. The results are shown in Table 3.

【0041】実施例7 マイクロ波プラズマCVDにおいて、シリコン基板上
に、厚さ約120μmのBおよびNがドープされたダイ
ヤモンド膜を堆積させた。CVDの条件は以下のとおり
である。
Example 7 A diamond film doped with B and N and having a thickness of about 120 μm was deposited on a silicon substrate in microwave plasma CVD. The CVD conditions are as follows.

【0042】原料:CH4 ガス4容量%、N2 ガス0.
5容量%、B2 6 ガス0.01容量%、残部H2 ガス
の混合ガス 圧力:40Torr 基板温度:850℃ 得られたダイヤモンド膜は、プラズマエッチング装置に
おいて、980℃の膜温度で、圧力80Torrの水素
プラズマに約20分間晒された。処理された膜を、希薄
なフッ酸−硝酸混合液でシリコン基板を溶解することに
よって、基板から分離した。その結果、ダイヤモンド膜
が細かく分解し、平均長さ約120μm、平均直径約1
0μmの針状および繊維状不純物添加ダイヤモンド(以
下ドープされたダイヤモンド繊維と呼ぶ)が得られた。
Raw materials: CH 4 gas 4% by volume, N 2 gas 0.
5% by volume, mixed gas of 0.01% by volume of B 2 H 6 gas, balance H 2 gas Pressure: 40 Torr Substrate temperature: 850 ° C. The obtained diamond film was pressed at a film temperature of 980 ° C. in a plasma etching apparatus It was exposed to hydrogen plasma at 80 Torr for about 20 minutes. The treated film was separated from the substrate by dissolving the silicon substrate with a dilute hydrofluoric acid-nitric acid mixture. As a result, the diamond film was finely decomposed, and the average length was about 120 μm and the average diameter was about 1
0 μm acicular and fibrous impurity doped diamond (hereinafter referred to as doped diamond fiber) was obtained.

【0043】得られたダイヤモンド繊維は、不純物とし
て、Bを約150ppm、Nを約220ppm含んでい
た。次に、ドープされたダイヤモンド繊維3gと、Si
が8wt%固溶したAl粉末30gとを混合し、得られ
た混合物を400℃で焼結し、ダイヤモンド強化アルミ
ニウム合金を作製した。得られた複合材料を試料Mと
し、その弾性率および引張り強度を測定した。結果を表
3に示す。
The diamond fiber thus obtained contained, as impurities, about 150 ppm of B and about 220 ppm of N. Next, 3 g of doped diamond fiber and Si
Was mixed with 30 g of Al powder having a solid solution of 8% by weight, and the obtained mixture was sintered at 400 ° C. to produce a diamond-reinforced aluminum alloy. The obtained composite material was used as a sample M, and its elastic modulus and tensile strength were measured. The results are shown in Table 3.

【0044】[0044]

【表3】 [Table 3]

【0045】表3の結果から、本発明に従うダイヤモン
ド強化アルミニウム合金は、比較例に比べ弾性率と引張
り強度とが向上していることが認められた。
From the results shown in Table 3, it was confirmed that the diamond-reinforced aluminum alloy according to the present invention had improved elastic modulus and tensile strength as compared with Comparative Examples.

【0046】参考例4 マイクロ波プラズマCVDにおいて、シリコン基板上に
厚さ約60μmのダイヤモンド膜を堆積させた。CVD
の条件は以下のとおりである。
Reference Example 4 In microwave plasma CVD, a diamond film having a thickness of about 60 μm was deposited on a silicon substrate. CVD
The conditions are as follows.

【0047】原料:メタン3%−水素混合ガス 圧力:40Torr 基板温度:850℃ 得られたダイヤモンド膜は、プラズマエッチング装置に
おいて、980℃の膜温度で、圧力80Torrの水素
プラズマに約20分間晒された。処理された膜を、希薄
なフッ酸−硝酸混合液でシリコン基板を溶解することに
よって、基板から分離した。その結果、ダイヤモンド膜
が細かく分離し、平均長さ約60μm、平均直径約4μ
mの針状および繊維状ダイヤモンド(以下ダイヤモンド
繊維と呼ぶ)が得られた。
Raw material: 3% methane-hydrogen mixed gas pressure: 40 Torr Substrate temperature: 850 ° C. The obtained diamond film was exposed to hydrogen plasma at a pressure of 80 Torr at a film temperature of 980 ° C. for about 20 minutes in a plasma etching apparatus. It was The treated film was separated from the substrate by dissolving the silicon substrate with a dilute hydrofluoric acid-nitric acid mixture. As a result, the diamond film was finely separated and had an average length of about 60 μm and an average diameter of about 4 μm.
m needle-like and fibrous diamonds (hereinafter referred to as diamond fibers) were obtained.

【0048】次に、得られたダイヤモンド繊維の表面
に、参考例3と同様にしてSiC層を形成した。次に、
表面にSiCを有するダイヤモンド繊維5gと、Si3
4粉末25gおよびY23粉末1gとを混合し、得ら
れた混合物を1350℃で焼結して、ダイヤモンド強化
窒化ケイ素セラミックスを作製した。得られた複合材料
を試料Nとし、その弾性率および曲げ強度を測定した。
結果を表4に示す。
Then, a SiC layer was formed on the surface of the obtained diamond fiber in the same manner as in Reference Example 3 . next,
5 g of diamond fiber having SiC on the surface and Si 3
25 g of N 4 powder and 1 g of Y 2 O 3 powder were mixed, and the obtained mixture was sintered at 1350 ° C. to produce diamond-reinforced silicon nitride ceramics. The obtained composite material was designated as Sample N, and its elastic modulus and bending strength were measured.
The results are shown in Table 4.

【0049】比較例4参考例4 で得られたダイヤモンド繊維をそのまま表面処
理を行なうことなく複合材料に用いた。ダイヤモンド繊
維5gと、Si34粉末25gおよびY23粉末1gと
を混合し、得られた混合物を1350℃で焼結して、ダ
イヤモンド強化窒化ケイ素セラミックスを作製した。得
られた複合材料を試料Oとし、その弾性率と曲げ強度を
測定した。結果を表4に示す。
Comparative Example 4 The diamond fiber obtained in Reference Example 4 was used as it was in a composite material without surface treatment. 5 g of diamond fibers were mixed with 25 g of Si 3 N 4 powder and 1 g of Y 2 O 3 powder, and the obtained mixture was sintered at 1350 ° C. to produce diamond-reinforced silicon nitride ceramics. The obtained composite material was designated as sample O, and its elastic modulus and bending strength were measured. The results are shown in Table 4.

【0050】[0050]

【表4】 [Table 4]

【0051】[0051]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に従う複合材料の一例を模式的に示す断
面図である。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing an example of a composite material according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 マトリックス 2 強化材 3 中間層 1 matrix 2 Reinforcement material 3 Middle class

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤森 直治 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平2−79801(JP,A) 特開 平3−9552(JP,A) 特開 平4−232282(JP,A) 欧州特許493351(EP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 C23C 16/26 - 16/27 D01F 9/08 - 9/32 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Naoji Fujimori 1-1-1 Kunyokita, Itami-shi, Hyogo Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works (56) Reference JP-A-2-79801 (JP, A) ) JP-A-3-9552 (JP, A) JP-A-4-2322282 (JP, A) European Patent 493351 (EP, B1) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) C30B 1 / 00-35/00 C23C 16/26-16/27 D01F 9/08-9/32

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ダイヤモンド強化複合材料であって、 マトリックスと、 前記マトリックス中に分散され、かつ気相合成ダイヤモ
ンドからなる強化材とを備え、 前記気相合成ダイヤモンドにおいて、前記マトリックス
との界面にあたる部分に存在する水素原子の量が、1×
1015個/cm2以下である、ダイヤモンド強化複合材
料。
1. A diamond-reinforced composite material, comprising: a matrix; and a reinforcing material dispersed in the matrix and comprising a vapor-phase synthetic diamond, wherein the vapor-phase synthetic diamond corresponds to an interface with the matrix. The amount of hydrogen atoms present in
A diamond reinforced composite material having a density of 10 15 pieces / cm 2 or less.
【請求項2】 前記マトリックスは、金属、半金属、セ
ラミックス、有機ポリマーおよびそれらの組合せからな
る群から選択される少なくとも1つの材料からなる、請
求項1記載の材料。
2. The material of claim 1, wherein the matrix comprises at least one material selected from the group consisting of metals, semi-metals, ceramics, organic polymers and combinations thereof.
【請求項3】 ダイヤモンド強化複合材料であって、 マトリックスと、前記マトリックス中に分散され、かつ
気相合成ダイヤモンドを主成分とする強化材とを備え、 前記強化材は、少なくとも前記マトリックスとの境界部
分に、ダイヤモンド自体よりもマトリックスと強く結合
する層を有し、 前記層は、グラファイトからなっており、前記層がない
場合よりも、前記強化材と前記マトリックスとの結合を
より強める、ダイヤモンド強化複合材料。
3. A diamond-reinforced composite material, comprising: a matrix; and a reinforcing material dispersed in the matrix and containing vapor phase synthetic diamond as a main component, the reinforcing material being at least a boundary with the matrix. The part has a layer that is more strongly bonded to the matrix than the diamond itself, and the layer is made of graphite, and strengthens the bond between the reinforcing material and the matrix more than when the layer is not provided. Composite material.
【請求項4】 ダイヤモンド強化複合材料であって、 マトリックスと、前記マトリックス中に分散され、かつ
気相合成ダイヤモンドを主成分とする強化材とを備え、 前記強化材は、少なくとも前記マトリックスとの境界部
分に、ダイヤモンド自体よりもマトリックスと強く結合
する層を有するものであって、少なくともその表面に、
B、Nおよびそれらの組合せからなる群から選択される
少なくとも1つの原子がドープされたダイヤモンドを含
み、 前記層は、それがない場合よりも、前記強化材と前記マ
トリックスとの結合をより強める、ダイヤモンド強化複
合材料。
4. A diamond-reinforced composite material, comprising: a matrix; and a reinforcing material dispersed in the matrix and containing vapor phase synthetic diamond as a main component, the reinforcing material being at least a boundary between the matrix and the matrix. The part has a layer that is more strongly bonded to the matrix than the diamond itself, and at least on its surface,
Comprising diamond doped with at least one atom selected from the group consisting of B, N and combinations thereof, said layer providing a stronger bond between said reinforcement and said matrix than it would otherwise be, Diamond reinforced composite material.
【請求項5】 前記マトリックスは、金属、セラミック
ス、有機ポリマーおよびそれらの組合せからなる群から
選択される少なくとも1つの材料からなる、請求項3ま
たは4に記載の材料。
Wherein said matrix is a metal, ceramic, consisting of at least one material selected from the group consisting of organic polymers and combinations thereof, according to claim 3 or
Or the material described in 4.
【請求項6】 ダイヤモンド強化複合材料の製造方法で
あって、 強化材としての気相合成ダイヤモンドを提供する工程
と、 前記気相合成ダイヤモンドの表面から水素を除去する工
程と、 水素が除去された気相合成ダイヤモンドとマトリックス
材料とを混合して複合材料を形成する工程とを備える、
ダイヤモンド強化複合材料の製造方法。
6. A method for producing a diamond-reinforced composite material, comprising: providing vapor-phase synthetic diamond as a reinforcing material; removing hydrogen from the surface of the vapor-phase synthetic diamond; and removing hydrogen. Mixing the vapor phase synthetic diamond and a matrix material to form a composite material.
Manufacturing method of diamond reinforced composite material.
【請求項7】 ダイヤモンド強化複合材料の製造方法で
あって、 少なくとも表面にダイヤモンドよりも強くマトリックス
材料に結合できる層を有し、前記層は、グラファイトか
らなっており、かつ気相合成ダイヤモンドを主成分とす
る強化材を準備するステップと、 前記強化材とマトリックス材料とを混合して複合材料を
形成する工程とを備える、ダイヤモンド強化複合材料の
製造方法。
7. A method for producing a diamond reinforced composite material, comprising a layer capable of binding to a matrix material stronger than diamond at least on the surface, said layer being composed of graphite, and mainly composed of vapor phase synthetic diamond. A method for producing a diamond-reinforced composite material, comprising: a step of preparing a reinforcing material as a component; and a step of mixing the reinforcing material and a matrix material to form a composite material.
【請求項8】 ダイヤモンド強化複合材料の製造方法で
あって、 少なくとも表面にB、Nおよびそれらの組合せからなる
群から選択される少なくとも1つの原子がドープされ、
ダイヤモンドよりも強くマトリックス材料に結合できる
層を有し、かつ気相合成ダイヤモンドを主成分とする強
化材を準備するステップと、 前記強化材とマトリックス材料とを混合して複合材料を
形成する工程とを備える、ダイヤモンド強化複合材料の
製造方法。
8. A method of making a diamond reinforced composite material, wherein at least the surface is doped with at least one atom selected from the group consisting of B, N and combinations thereof,
A step of preparing a reinforcing material having a layer capable of binding to the matrix material stronger than that of diamond and having vapor phase synthetic diamond as a main component; and a step of forming a composite material by mixing the reinforcing material and the matrix material. A method for manufacturing a diamond-reinforced composite material, comprising:
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