JP4016106B2

JP4016106B2 - ポーラス金属材料及びその製造方法

Info

Publication number: JP4016106B2
Application number: JP2003086576A
Authority: JP
Inventors: 章渡津
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP2004292888A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポーラス金属材料及びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、アルミニウム又はアルミニウム合金あるいは他の金属又は合金をベースにしたポーラス金属材料あるいはこれに類したものであって、ポアの大きさや分布及び母材の壁の厚みを制御してこれらを再現性よく製造することを可能とする新規なポーラス金属材料及びその製造方法に関するものである。
本発明は、数ミリの大きいポアと数十ミクロンの薄い壁を有するポーラス金属材料を製造し得る新しいポーラス金属材料の製造方法及びその製品を提供するものとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ポーラス金属材料は、立体的な網状構造を有し、気孔率を著しく大きくした多孔体であり、例えば、自動車、鉄道車両、船舶等の移動中に衝突する可能性のある輸送機械や構造材料へ用いるための衝撃吸収材、あるいは、吸音、断熱、軽量化材料等としてその実用化が強く期待されている。そのようなポーラス金属材料を作製するには、空隙の大きさと分布やマトリックスの壁の厚みなどを制御した材料を再現性よく製造することを可能とする高信頼性のポーラス金属材料の製造方法を開発することが必要となる。
【０００３】
従来、こうしたポーラス金属を製造する方法として、（１）溶融金属中にガス発生物質である発泡剤を添加する方法、（２）発泡樹脂の骨格の周りに金属を吹き付けて焼結する方法、（３）樹脂の粒子と金属粉末を混合し、熱処理により脱脂と焼結を行う方法、等が知られている。しかし、上記（１）の方法では、気泡の大きさが不揃いとなり易く、また、金属が凝固する際に、内部に引け巣が生じやすいという問題があった。また、上記（２）及び（３）の方法では、材料全体を通して連通孔が多数あるいは大きく空きやすく、製造されたポーラス材料を、例えば、断熱材などに用いる場合、性能を低下させるという問題があり、更に、母材の壁の厚みなどの制御が困難である上に、純アルミニウムなどの難焼結性物質では、一様で強固な母材を形成するのも難しいという問題があった。
【０００４】
また、先行技術として、例えば、中空球によるポーラス材料の作製方法（非特許文献１）が報告されている。この方法は、まず、ステンレスの粉体とバインダーを混合し、球状発泡スチロールの表面に分布させた後、熱処理により中空球を作製し、次に、この中空球を多数作製し、型の中で圧縮して成形した後、熱処理によりポーラス材料とすることを特徴とするものである。この方法によると、主な空隙は中空球の内部空間を反映したものになり、ポーラス材料を構成する中空球の大きさを制御すれば、最終的に作製されるポーラス材料のポアの分布や大きさなどを制御することが可能である。また、中空球の壁の厚みがポーラス材料の壁の厚みに反映されるため、ポーラス材料のマトリックスの制御も可能であると考えられる。
【０００５】
このように、上記方法は、非常に有用な方法ではあると考えられるが、この種の方法には、難点も存在する。例えば、発泡スチロールが抜ける際に発生する穴が中空球にランダムに多数空いているため、全体を通して、多数の穴があいてしまう点である。また、中空球を一体化する際に圧力をかけなければならないため、圧縮力に耐えて形状を保つために十分な強度をそれぞれの中空球が必要とする。つまり、壁の厚みが薄い中空球ではつぶれてしまう可能性があり、壁の薄いポーラス材料や比較的低い強度のポーラス材料に適応するのは困難である。更に、中空球に囲まれた空間に比較的大きい空隙が残ってしまい、この空隙の制御ができない。更に、この方法では、中空球を作製する際に無加圧の粉末焼結法を用いるため、難焼結性のアルミニウム粉体などに適応するのは困難である。
【０００６】
また、先行技術として、例えば、溶融金属を水素化チタン発泡剤により発泡させてポーラス金属材料を作製する技術（特許文献１）も提案されている。この技術は、鋳型全体が発泡金属の融点以上の温度となるように加熱し、かつ撹拌を終了して発泡を開始し、気泡が成長する過程で空気抜き用の放出口を有する状態で鋳型を密閉し、発泡剤が熱により分解して生じる多数の気泡が膨張することによって鋳型内の空気を外部に放出させ、発泡金属が鋳型内部の全体に充満することにより、溶融充満した発泡金属により上記放出口を閉鎖して鋳型を密閉状態とし、密閉された鋳型内で多数の気泡の内圧の均衡の下に均一なセル構造を形成させ、次いで、鋳型の加熱を停止して発泡金属を冷却凝固させることを特徴とするものである。
【０００７】
更に、先行技術として、空隙の大きさをより小さくし、ばらつきを小さくした技術（特許文献２）、発泡剤として水素化マグネシウムを使用した技術（特許文献３）、インサイト反応で生成した金属炭化物の粒子は微細で、これを増粘材として溶融マトリックス金属に分散させ、発泡剤により発泡金属を製造する技術（特許文献４）も提案されている。しかし、これらの技術では、ポアを形作る原因となるのが発泡剤の気化や膨張であるため、個々のポアの大きさや配置及び分布を制御することができない。また、この種の技術では、溶融金属の膜の厚さもそれぞれの箇所により制御することができないこと、更に、冷却時の温度勾配から、材料中心部と周辺部とでポアの大きさと分布や母材の壁の厚さを一様に制御するには限界があること等の問題がある。
【０００８】
【特許文献１】
特公平１−５１５２８号公報
【特許文献２】
特開２００２−３７１３２７号公報
【特許文献３】
特開平１１−１２６０５号公報
【特許文献４】
特開平６−８８１５４号公報
【非特許文献１】
O. Andersen, U. Waag, L. Schneider, G. Stephani, B. Kieback: Proc. Intern'l Conf. on Metal Foams and Porous Metal Structures at Bremen, Verl. MIT Publ., p. 183 (1999)
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者は、上記従来技術に鑑みて、従来の技術が十分になし得なかった上記課題へ答えることを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、ポアの空間をスペーサー材料によって確保し、スペーサーを除去する道筋をあらかじめ確保することにより、再現性よくポーラス金属材料を製造し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、ポアの空間の大きさ、分布及び壁の厚みを制御した高信頼性ポーラス金属材料を再現性よく製造することを可能とする新規ポーラス金属材料の製造方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、数ミリの大きいポアと数十ミクロンの薄い壁を有するポーラス金属材料の製造方法及びその製品を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）ポアの空間の大きさ、分布及び壁の厚みを制御した空隙率が少なくとも７０％のポーラス金属材料を製造する方法であって、（ａ）スペーサーの周りに母材金属を配置したスペーサー／母材金属複合体を作製する、（ｂ）所定数のスペーサー／母材金属複合体を圧縮成形して一体化する、（ｃ）焼成、熱処理又は溶解によりスペーサーを除去してポアが連結孔で連通したポーラス金属材料を作製する、（ｄ）その際、上記ポーラス金属の金属どうしを接合する、ことからなるポーラス金属材料の製造方法であって、複数のスペーサー／母材金属複合体を、連結部（接合部分）に樹脂を配置あるいは空隙を形成した状態になるように連結させ、圧縮成形した後、焼成、熱処理又は溶解によってスペーサーを除去することを特徴とする上記ポーラス金属材料の製造方法。
（２）上記ポーラス金属材料の金属どうしを、その焼成工程における焼結や拡散接合、又は接着による接合方法により接合することを特徴とする前記（１）記載のポーラス金属材料の製造方法。
（３）母材金属が、アルミニウム又はアルミニウム合金である前記（１）又は（２）に記載のポーラス金属材料の製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金あるいは他の金属又は合金をベースにしたポーラス金属材料あるいはこれに類したものを再現性よく製造することを可能とする高信頼性ポーラス金属材料の製造方法であって、少なくとも１種類のスペーサー樹脂の周りに少なくとも１種類の母材金属を被覆したものを連結部に樹脂あるいは空隙を配置した状態になるよう連結させ、圧縮成形した後、熱分解あるいは溶解によってスペーサーを除去し、その際、焼結や拡散接合や接着あるいはそれに類する接合方法により金属どうしを接合することを特徴とするものである。本発明の方法の一例を図１に示す。ここでは、スペーサーの連結と母材の被覆、成形、及びスペーサー除去の各工程を概念的に示した。図中、１はスペーサー、２は母材、３は接合部分、４は連通孔、５はポーラス材料を示す。
【００１２】
本発明において、母材金属としては、好適には、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金が例示されるが、これらに制限されるものではなく、これらと類似の他の金属、合金も同様に使用することができる。また、スペーサーとしては、好適には、例えば、ポリスチレン、アクリル、エポキシ樹脂などが例示されるが、これらに制限されるものではなく、熱による分解あるいは溶剤による溶解により除去できるものであれば、他の樹脂や無機物質も同様に用いられる。ただし、母材の制御の観点から、スペーサーとしては、母材と反応しない物質を用いることが好ましい。スペーサーの形状は、例えば、球状が例示されるが、出来上がるポーラス材料の空隙の形状に近い形状であることが望ましい。本発明では、スペーサーの周りに母材金属を適宜の厚さに配置してスペーサー／母材金属複合体を作製する。スペーサーの周りに母材金属を配置する方法としては、例えば、被覆、スパッタリング、粉末付着メッキ、化学気相成膜（ＣＶＤ）法蒸着、箔付着等が例示されるが、これらに制限されるものではない。次に、必要とされる所定数のスペーサー／母材金属複合体を一体化するために圧縮成形する。圧縮成形するための手段としては、プラスチックや金属型内圧縮、ゴムやビニール内の静水圧圧縮等が例示されるが、特に制限されない。また、一体成形する際に、スペーサーの軟化温度以上の成形しやすい温度で行うことが望ましい。スペーサー樹脂の周りに被覆する物は箔状の物や粉体状の物あるいはスパッタリング法などにより作製される薄膜などであるが、少なくとも一部分は０．１ミクロン以上なければならない。ただし、被覆する量については、軽量化の観点からは体積が少ない方がよく、強度の観点からは厚みを増やす方が望ましい。これらは、ポーラス金属材料の使用目的、利用方法、それらの用途等に応じて任意に設計することができる。
【００１３】
上記スペーサー／母材金属複合体は、その作製の際に、あるいは、圧縮成形の際に、適宜の手段で多数連結させて処理することができる。それにより、それらを一体成形したポーラス金属材料を作製することができる。上記方法により作製したポーラス金属材料は、その焼結工程における焼結や拡散接合、あるいは接着剤による接着、接合等により接合される。本発明においては、これらの接合方法として、好適には、例えば、容易に焼結できる材料を用いて焼結や拡散接合により接合を行う方法、また、無加圧では焼結や拡散接合しないが、圧力を加えてからならば焼結や拡散接合できる材料を用いて、材料に適切な圧力を加えてから焼結や拡散接合を行う方法、また、助剤を添加して焼結や拡散接合を行う方法、更に、単純に接着剤を用いて接合する方法等が例示される。
【００１４】
本発明の方法で作製されたポーラス金属材料は、数ミリの大きいポアと数十ミクロンの薄い壁を有し、それらが高精度に制御されたものであり、しかも、本発明の方法は、後記する実施例に示されるように、スペーサーは確実に除去されると共に、スペーサーと金属材料の反応をも確実に制御し得ることから、所定のポーラス材料を再現性よく実現し得る方法として有用である。本発明は、空隙の大きさと分布及びマトリックスの壁の厚さを制御すると共に、空隙率を制御し、かつ母材の壁の穴を最小限にして表面に開孔を持たない、あるいは、連通孔の大きさや形を制御したポーラス金属材料及びその製造方法を提供するものとして有用である。
【００１５】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。但し、以下の実施例は、いずれも本発明の好適な一例を示すものであって、本発明は、これらによって何ら制限を受けるものではない。
実施例１
直径５−８ｍｍの発泡スチロールの周りにアルミニウム箔を巻き付けたものを多数作製し、それぞれを木綿糸でつなぎ合わせ、圧縮成型後、空気中で４００℃、４時間焼成した後、接着剤で接合し、ポーラスアルミニウム材料を作製した。作製された試料は、直径２ｃｍ、長さ１．９ｃｍの円柱形であり、表面の変色もみられず、金属光沢を有していた。このポーラス材料の内面の電子プローブマイクロアナライザによる元素分析を行った。その結果を図２に示す。ポーラス材料の内面にはＡｌとＯ以外の元素は観察されず、分解後の炭化物の残留は認められなかった。そのため、この材料とスペーサーとの反応は起こっていないと考えられる。重量の計測結果から、上記ポーラス材料は、比重は０．２３ｇ／ｃｍ³ であり、空隙率は約９１％のポーラスアルミニウム材料であることが分かった。作製されたポーラスアルミニウム材料のマイクロＸ線ＣＴ写真を図３に示す。このポーラス材料は、空隙の大きさや配置をコントロールしたポーラス金属材料として、従来技術では作製できない物である。なお、この試料は、空隙率９１％の円柱状ポーラス金属であるが、スペーサーの数や配置及びアルミニウムの厚さを制御することで、同様に他の形状や空隙率も達成し得る。
【００１６】
実施例２
直径２ｍｍの球状のエポキシ樹脂に厚さ１０ミクロン以上のアルミニウム薄膜をスパッタリング法によって被覆し、１５０℃で圧縮成型し、窒素ガス中にて４００℃で４時間、６５０℃にて２時間焼成することにより３ｃｍ×２ｃｍ×２ｃｍのポーラスアルミニウム材料を得た。このポーラス材料は、ポアの大きさや配置を制御したポーラス金属材料として、従来技術では作製できない物である。なお、スペーサーの数や配置及びアルミニウムの厚さを制御することで、同様に他の形状や空隙率も達成し得る。
【００１７】
実施例３
直径３ｍｍのアクリル樹脂をナイロン樹脂でつなぎ、アルコールで湿らせたアルミニウム粉体により０．５ｍｍ以上被覆した後、圧縮成型し、約６５０℃まで熱処理することにより、直径３ｃｍ、長さ３ｃｍの空隙率７０％のポーラスアルミニウム材料を得た。このポーラス材料は、ポアの大きさや配置を制御したポーラス金属材料として、従来技術では作製できない物である。なお、スペーサーの数や配置及びアルミニウムの厚さを制御することで、同様に他の形状や空隙率も達成し得る。
【００１８】
実施例４
直径０．５ｍｍのアクリル樹脂を木綿糸でつなぎ、アルコールで湿らせたチタン粉体により０．５ｍｍ以上被覆した後、圧縮成型し、約１２００℃まで熱処理することにより、直径１０ｃｍ、長さ１ｃｍの空隙率７０％のポーラス金属材料を得た。このポーラス材料は、ポアの大きさや配置を制御したポーラス金属材料として、従来技術では作製できない物である。なお、スペーサーの数や配置や連結部の形状及び金属材料の厚さを制御することで、同様に他の形状や他の連通孔の形状及び他の空隙率も達成し得る。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金あるいは他の金属又は合金をベースにしたポーラス金属材料の製造方法及びその製品に係るものであり、本発明により、以下のような効果が奏される。
（１）ポアの空間の大きさと分布及び母材の壁の厚みなどを制御したポーラス金属材料を再現性よく製造することができる。
（２）スペーサーの除去経路を必要最小限で確保することができる。
（３）難焼結材の高空隙率ポーラス金属材料も製造することができる。
（４）表面に大きな開孔のないポーラス金属材料を製造することができる。
（５）スペーサーの配置を換えることにより様々な形状のポーラス金属材料を製造することができる。
（６）連結部の形状を制御することにより連通孔の大きさや形状を制御したポーラス金属材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の一例の概念図である。
【図２】本発明の実施例に係るポーラス金属材料の内面の電子プローブマイクロアナライザによる元素分析結果である。
【図３】本発明の実施例に係るポーラス金属材料の外観写真とマイクロＸ線ＣＴ写真である。
【符号の説明】
１スペーサー
２母材
３接合部分
４連通孔
５ポーラス材料

Claims

ポアの空間の大きさ、分布及び壁の厚みを制御した空隙率が少なくとも７０％のポーラス金属材料を製造する方法であって、（１）スペーサーの周りに母材金属を配置したスペーサー／母材金属複合体を作製する、（２）所定数のスペーサー／母材金属複合体を圧縮成形して一体化する、（３）焼成、熱処理又は溶解によりスペーサーを除去してポアが連結孔で連通したポーラス金属材料を作製する、（４）その際、上記ポーラス金属の金属どうしを接合する、ことからなるポーラス金属材料の製造方法であって、複数のスペーサー／母材金属複合体を、連結部（接合部分）に樹脂を配置あるいは空隙を形成した状態になるように連結させ、圧縮成形した後、焼成、熱処理又は溶解によってスペーサーを除去することを特徴とする上記ポーラス金属材料の製造方法。
上記ポーラス金属材料の金属どうしを、その焼成工程における焼結や拡散接合、又は接着による接合方法により接合することを特徴とする請求項１記載のポーラス金属材料の製造方法。
母材金属が、アルミニウム又はアルミニウム合金である請求項１又は２に記載のポーラス金属材料の製造方法。