JP3486667B2 - クローズドセル構造金属材とその製造方法 - Google Patents

クローズドセル構造金属材とその製造方法

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JP3486667B2 JP30159697A JP30159697A JP3486667B2 JP 3486667 B2 JP3486667 B2 JP 3486667B2 JP 30159697 A JP30159697 A JP 30159697A JP 30159697 A JP30159697 A JP 30159697A JP 3486667 B2 JP3486667 B2 JP 3486667B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、クローズ
ドセル構造金属材とその製造方法に関するものである。
さらに詳しくは、この出願の発明は、金属系構造材料の
軽量化や制振性の飛躍的向上や新たな機能の付加のため
になされたものであり、宇宙構造物、航空機、船舶、建
築物からマイクロマシンに至るまで様々の用途の構造材
等として有用な、クローズドセル構造金属材とその製造
方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】従来より、金属材料を軽量化
・強化する方法として、固体粒子を金属内に分散させる
ことによって剛性や強度を向上させる手法(粒子分散型
複合材料)が知られている。一方、軽量化を図り、吸音
性等を向上させるために、内部空間に気体を内包させた
発泡金属や金属ハニカム構造体等も知られている。さら
に、金属ではないが、中空のガラス球をエポキシ樹脂内
に分散させたシンタクティックフォームと呼ばれる複合
材も知られている。
【0003】しかしながら、これら従来の各種のセル構
造体は、発泡金属やハニカム構造体のように、セル空間
の内圧が減圧あるいはほぼ大気圧であるために、構造体
中の金属自体が荷重や剛性を保つものであった。また、
粒子分散型複合材料においては、分散粒子は母材に対し
て不均一に分散分布し、分散粒子と母相との界面がき裂
発生点になる可能性があり、発泡金属においてはセルの
大きさが不均一で機械的性質も場所や方向により異な
り、さらには、ハニカム構造体においてはハニカム面に
対して垂直と水平の両方向に対する機械的性質に極端な
差があり、強度や剛性に異方性がある等の問題があっ
た。シンタクティックフォームは耐圧性には優れている
が、母材に樹脂を用いているため、数10℃以上の温度
では使用できない等の問題が生じていた。
【0004】そこで、この出願の発明は、セル骨格構造
に着目しつつも、従来の技術の問題点を解消し、高い比
強度、高いエネルギー吸収性、高圧縮強度、高い制振性
等の優れた性能を有する新しいクローズドセル構造金属
材とその製造方法を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、三次元的に等方な最密充
填状態のクローズドセル金属骨格を有し、セル内には異
性物質が内包されていることを特徴とするクローズドセ
ル構造金属材(請求項1)を提供する。また、この出願
の発明は、上記金属材について、セルの大きさは5mm
以下であること(請求項2)、さらには、セルの大きさ
100μm以下であること(請求項3)、および異性物
質は有機物および無機物のうちの少くとも1種であるこ
と(請求項4)、異性物質は構造金属材の使用温度にお
いて気体、液体または固体状の物質であること(請求項
5)、異性物質は温度変化により固体と液体と気体との
間で相変化する物質であること(請求項6)、異性物質
は、300℃以下の温度範囲において、温度変化により
固体と液体との間で相変化する物質であること(請求項
7)も態様として提供する。
【0006】さらにこの出願の発明は、固体状異性物質
粒子に金属を被覆し、得られた被覆粒子を型内に充填し
て成形し、次いで焼結することにより、三次元的に等方
な最密充填状態のクローズドセル構造を有し、セル内に
は異性物質が内包されている金属材を製造することを特
徴とするクローズドセル構造金属材の製造方法(請求項
8)をも提供する。
【0007】
【発明の実施の形態】前記のとおりのこの出願の発明
は、 異性物質を密閉内包するセルが、 3次元的に規則的・等方的に、 細密充填状態で存在し、 このセルは金属による骨格構造として構成されてい
る、 クローズドセル構造金属材 として特定されている。
【0008】この金属材においては、内部の異性物質の
作用によって、高い比強度、高いエネルギー吸収性、高
い圧縮強度、高い制振性等の性能が得られることにな
る。セルの大きさについては、一般的にはサブミクロン
から数ミリメートルの内径をもつものとして考えること
ができる。より具体的には、5mm以下、さらには1m
m以下が考慮される。このセルの大きさは、内包する異
性物質の種類と性質、期待するクローズドセル構造金属
材の性能や用途、さらには製造手段によって定めること
ができる。5mmを超える大きさでは、これらの観点か
らみて現実的ではない。より現実的には、前記のとおり
1mm以下、さらには100μm以下とするのが適当で
ある。
【0009】セルの大きさが、構造用鋼等における結晶
粒と同程度のサブミクロンからミクロンオーダーのもの
は、セルの一部が破損しても強度に影響は生じないこと
も特筆される。異性物質については有機物、無機物の1
種以上のものとすることが考慮される。例えば、ポリス
チレンのような有機物であってもよいし、Mg−Li合
金のような無機物であってもよいし、発泡剤入りポリ塩
化ビニルや、金属粉末入りポリスチレンなどのように有
機物と無機物の両方が混合されたものでもよい。もちろ
ん、必要に応じて、複数種の有機物を用いることなども
考慮される。これらの異性物質は、セルに密閉された状
態において、セルの内圧としてはほとんどの場合大気圧
以上に圧縮された状態にある。
【0010】この圧縮状態で、異性物質は、固体、液
体、さらには気体であり得る。すなわち、このものの製
造時においては、内包される異性物質は固体状である
が、製造後の使用温度においては、固体であってよいの
はもちろん、気体または液体に相変化してもよい。なか
でも、異性物質は、常温常圧下においては気体もしくは
液体または固体状の物質であることや、より具体的な態
様として、温度変化により固体から気体の間で相変化を
起こす物質であり、300℃以下の温度範囲において、
温度変化によって固体と液体との間で相変化を起こす物
質であるもの等が考慮される。
【0011】特に、異性物質の熱膨張係数が骨格材料よ
りも大きい場合は、温度上昇とともに加圧力は次第に大
きくなる。固体から液体、気体と相変化するに従って体
積も増加するので、高温になるまで弾性率の高い金属材
料となる。しかし、セル内部の異性物質は、温度が高い
ほど軟くなるので変形抵抗は小さく、エネルギー吸収性
は良くなる。
【0012】セルに内包された状態の異性物質が液体と
して存在することもこの発明の態様としては注目され
る。セルが破壊し、内部の液体が外部に流出することに
よって自己消化する等の新たな機能を付加させることも
可能である。添付した図面の図1は、この発明のクロー
ズドセル構造金属材の構成を模式的に例示したものであ
るが、金属のセル骨格構造により形成されるクローズド
セル内には、たとえば液体の異種物質が密閉内包されて
いる。
【0013】そして、セルそのものは、前記のとおり、
3次元的に規則的・等方的に、最密充填状態で存在して
いる。このような構造のこの発明の金属材については、
次のようにして製造することができる。すなわち、固体
状異性物質粒子に金属を被覆し、得られた金属被覆粒子
を型内に充填して成形し、次いで焼結することにより製
造することができる。
【0014】内包された異性物質が液体状のもの、ある
いは気体状のものとして存在する金属材では、その製造
時において固体粒子であるものが用いられることにな
る。このような異性物質としては、たとえば溶解性また
は昇華性の固体有機物や化学反応によりガスを発生する
固体有機物が代表的なものとして例示される。ポリスチ
レン、ポリエチレン等の有機ポリマーやパラフィン等が
溶解性のものとしてある。あるいは発泡前の発泡ポリス
チレンビーズや化学発泡剤入りのポリ塩化ビニル等が化
学反応によりガスを発生する有機物としてある。あるい
は発泡前の発泡ポリスチレンビーズや化学発泡剤入りの
ポリ塩化ビニル等が化学反応によりガスを発生する有機
物としてある。なお、金属については各種の単体金属、
合金であってもよい。
【0015】金属、合金等の被覆については、たとえば
無電解メッキの手段や、スパッタリング、イオンプレー
ティング等の気相成膜手段などが例示される。この被覆
については、より低い温度、たとえば常温をはじめ、前
記の異性物質が固体状態に保たれている温度において実
施することになる。異性物質と骨格金属との組合わせや
得られるセル構造体金属について例示すると、たとえば
次の表1として示すことができる。
【0016】
【表1】
【0017】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。
【0018】
【実施例】実施例1 直径10μmのポリスチレン粒子に0.3μm厚のNi
層を無電解メッキによりコーティングし、これを円柱状
の型容器に充填し、ポリスチレンの液化温度よりも高い
100℃で約50kg/mm2 の等方静水圧を負荷した
ところ、これらの粒子は変形し、多面体からなる粒子体
が生成した。
【0019】添付した図面の図2は、この多面体からな
る粒子体の走査型電子顕微鏡写真である。さらに、この
成形したポリスチレン粒子体をステンレス容器に入れ、
真空中において昇温速度50℃/hで昇温し、800℃
で1時間加熱・炉冷した。これにより、ポリスチレン粒
子同士はポリスチレンの膨張により加圧され、Ni層の
拡散により焼結し、内部にポリスチレンあるいはスチレ
ンを内包するクローズドセル金属構造材料が製造され
た。
【0020】添付した図面の図3は、このポリスチレン
を内包するクローズドセル構造金属材の断面の走査型電
子顕微鏡写真である。この発明の方法によって製造した
構造材料の密度は、1.23g/cm3 であった。この
金属体をポリスチレンが液化している100℃において
圧縮試験を行ったところ、弾性率が72.2kgf/m
2 であり、応力2kg/mm2 より塑性変形を開始し
た。この塑性変形を開始する値は、純Alの焼き鈍し材
が1.0〜1.2kg/mm2 であり、さらにAlの密
度が2.7g/cm3 、本構造材料が1.23g/cm
3 であるので、単位質量あたりの変形応力も大きいこと
が示される。
【0021】また、圧縮試験の間、セラミックスのよう
に飛散することなく変形し続け、金属のように加工硬化
や断面積の上昇による応力の増加を示さず、わずかに増
加はするものの、一定の応力で圧縮変形した。これはセ
ルの変形や破壊によるものであり、高いエネルギー吸収
性を示唆する。さらに、100℃において5MHzの縦
波を用いて超音波伝播特性を測定したところ、減衰率が
6.7dB/cmであった。Alや炭素鋼の減衰率が
0.2〜0.5dB/cmであることや、ステンレス鋼
が0.2〜2.6dB/cmであることと比較すると、
この発明の製造材料の減衰率は非常に高く、優れた防音
性や制振性を有することがわかった。
【0022】図4は、圧縮試験後のクローズドセル構造
金属材の破面を観察した走査型電子顕微鏡写真を示して
いる。粒子中央の盛上り部は相手方金属の剥離部分を示
している。実施例2 直径10μmのポリスチレン粒子に0.4μm厚のNi
を無電解メッキによりコーティングした。その後、Ni
をAuに置換することによって、0.1μm厚のNiと
0.3μmのAuのコーティングとした。これを円柱状
の容器に充填し、ポリスチレンの液化温度よりも高い1
00℃で約50kg/mm2 の等方静水圧を負荷したと
ころ、これらの粒子は変形し、多面体よりなる粒子体を
生成した。
【0023】さらに、この成形した粒子体を同じ容積の
ステンレス容器に入れ、真空中において420℃で1時
間加熱することによって、粒子同士はポリスチレンの膨
張により加圧されるのでAu層の拡散によって焼結し、
ポリスチレンを内包するクローズドセル金属体を製造し
た。この金属体を100℃において圧縮試験をしたとこ
ろ、実施例1の場合と同程度の結果が得られた。
【0024】
【発明の効果】以上詳しく説明したように、この発明に
よって、比強度が高く、制振性に優れた金属材料構造体
が得られ、これによって構造物の軽量化・簡素化が可能
となる。また、この発明によって、エネルギー吸収性の
良い構造材料の製造が可能となり、交通機関等の安全性
が向上し、さらには省エネルギー化や構造物の安全性が
いっそう促進するものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の金属材の構成について模式的に例示
した断面図である。
【図2】100℃で約50kg/mm2 の等方静水圧に
より成形されたNi層コーティングしたポリスチレン粒
子体の図面に代わる走査型電子顕微鏡写真である。
【図3】真空中、800℃で1時間加熱することにより
焼結した内部にポリスチレンを内包したクローズドセル
金属体の断面の図面に代わる走査型電子顕微鏡写真であ
る。
【図4】圧縮試験後の破面を示した図面に代わる走査型
電子顕微鏡写真である。

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 三次元的に等方な最密充填状態のクロー
    ズドセル金属骨格を有し、セル内には異性物質が内包さ
    れていることを特徴とするクローズドセル構造金属材。
  2. 【請求項2】 セルの大きさは5mm以下である請求項
    1のクローズドセル構造金属材。
  3. 【請求項3】 セルの大きさは100μm以下である請
    求項2のクローズドセル構造金属材。
  4. 【請求項4】 異性物質は有機物および無機物のうちの
    少くとも1種である請求項1ないし3のいずれかのクロ
    ーズドセル構造金属材。
  5. 【請求項5】 異性物質は構造金属材の使用温度におい
    て気体、液体または固体状の物質である請求項1ないし
    4のいずれかのクローズドセル構造金属材。
  6. 【請求項6】 異性物質は、温度変化により固体と液体
    と気体との間で相変化する物質である請求項1ないし5
    のいずれかのクローズドセル構造金属材。
  7. 【請求項7】 異性物質は、300℃以下の温度範囲に
    おいて、温度変化により固体と液体との間で相変化する
    物質である請求項6のクローズドセル構造金属材。
  8. 【請求項8】 固体状の異性物質粒子に金属を被覆し、
    得られた被覆粒子を型内に充填して等方静水圧を負荷し
    成形し、次いで焼結することにより、三次元的に等方
    な最密充填状態のクローズドセル構造を有し、セル内に
    は異種物質が内包されている金属材を製造することを特
    徴とするクローズドセル構造金属材の製造方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010229489A (ja) * 2009-03-27 2010-10-14 National Institute For Materials Science 複合材料

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010229489A (ja) * 2009-03-27 2010-10-14 National Institute For Materials Science 複合材料

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