JP6405892B2 - 多孔質アルミニウム焼結体及び多孔質アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のアルミニウム基材同士が焼結された多孔質アルミニウム焼結体及び多孔質アルミニウム焼結体の製造方法に関するものである。

上述の多孔質アルミニウム焼結体は、例えば各種電池における電極及び集電体、熱交換器用部材、消音部材、フィルター、衝撃吸収部材等として使用されている。
従来、このような多孔質アルミニウム焼結体は、例えば、特許文献１−５に開示された方法で製造されている。

特許文献１においては、アルミニウム粉末とパラフィンワックス粒とバインダーとを混合して形成された混合物をシート状に成形し、これを自然乾燥させた後に有機溶剤に浸漬してワックス粒を除去した後、乾燥、脱脂、焼結を行うことによって、多孔質アルミニウム焼結体を製造している。
また、特許文献２−４においては、アルミニウム粉末とチタンを含む焼結助剤粉末とバインダーと可塑剤と有機溶剤とを混合して粘性組成物を形成し、この粘性組成物を成形して発泡させた後、非酸化雰囲気で加熱焼結することにより、多孔質アルミニウム焼結体を製造している。

さらに、特許文献５においては、アルミニウムからなるベース粉末と共晶元素を含む橋絡形成用Ａｌ合金粉末などを混合し、これを水素雰囲気あるいは水素と窒素との混合雰囲気中で加熱焼結することにより、多孔質アルミニウム焼結体を製造している。なお、この多孔質アルミニウム焼結体は、アルミニウムからなるベース粉末が過共晶組織からなる橋絡部によって互いに連結された構造とされている。

特開２００９−２５６７８８号公報 特開２０１０−２８０９５１号公報 特開２０１１−０２３４３０号公報 特開２０１１−０７７２６９号公報 特開平０８−３２５６６１号公報

ところで、特許文献１に記載された多孔質アルミニウム焼結体及び多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、気孔率の高いものを得ることが困難であるといった問題があった。さらに、アルミニウム基材同士を焼結する場合、アルミニウム基材の表面に形成された強固な酸化膜によってアルミニウム基材同士の結合が阻害され、十分な強度を有する多孔質アルミニウム焼結体を得ることができないといった問題があった。

また、特許文献２−４に記載された多孔質アルミニウム焼結体及び多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、粘性組成物を成形・発泡させていることから、効率的に多孔質アルミニウム焼結体を製造することができないといった問題があった。さらに、粘性組成物は多くのバインダーを含有していることから、脱バインダー処理に多くの時間を要するとともに、焼結時における成形体の収縮率が大きくなり、寸法精度に優れた多孔質アルミニウム焼結体を製造することができないといった問題があった。

さらに、特許文献５に記載された多孔質アルミニウム焼結体及び多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、アルミニウムからなるベース粉末を過共晶組織からなる橋絡部によって結合した構造とされている。この橋絡部は、共晶組成の低融点Ａｌ合金粉末が溶融して液相を生じ、この液相がベース粉末間で凝固することによって形成されている。このため、気孔率の高いものを得ることが困難であった。
また、特許文献５に記載された多孔質アルミニウム焼結体においては、橋絡部全体が過共晶組織からなることから、橋絡部における電気抵抗や熱抵抗が高くなり、多孔質アルミニウム焼結体の導電性及び熱伝導性が低下してしまうといった問題があった。

本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、気孔率が高く十分な強度を有するとともに導電性及び熱伝導性に優れた多孔質アルミニウム焼結体、及び、多孔質アルミニウム焼結体の製造方法を提供することを目的としている。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の多孔質アルミニウム焼結体は、複数のアルミニウム基材が焼結された多孔質アルミニウム焼結体であって、前記アルミニウム基材が、アルミニウム繊維及びアルミニウム粉末のいずれか一方又は両方であり、前記アルミニウム基材の外表面には外方に向けて突出する柱状突起が形成され、前記アルミニウム基材同士が前記柱状突起を介して結合した結合部を有し、この結合部にはＴｉ−Ａｌ系化合物が存在し、前記結合部の表層にはＡｌとＳｉを含む共晶合金相が存在していることを特徴としている。

上述の構成とされた本発明の多孔質アルミニウム焼結体によれば、アルミニウム基材同士の結合部にＴｉ−Ａｌ系化合物が存在しているので、アルミニウムの拡散移動が抑制されることになり、アルミニウム基材同士の間の空隙を維持でき、気孔率の高い多孔質アルミニウム焼結体を得ることができる。
また、アルミニウム基材の外表面に形成された柱状突起を介して、アルミニウム基材同士が結合された構造とされているので、別途、発泡工程等を実施することなく、気孔率の高い多孔質アルミニウム焼結体とすることができる。よって、この多孔質アルミニウム焼結体を効率良く、かつ、低コストで製造することが可能となる。
さらに、粘性組成物のようにアルミニウム基材同士の間にバインダーが多く存在していないことから、焼結時の収縮率が小さく、寸法精度に優れた多孔質アルミニウム焼結体を得ることが可能となる。

そして、前記アルミニウム基材同士が結合された結合部にＡｌとＳｉを含む共晶合金相が存在しているので、この共晶合金相によって結合部が強化されることになり、多孔質アルミニウム焼結体全体の強度を向上させることができる。
さらに、ＡｌとＳｉを含む共晶合金相が結合部の表層に存在しているので、結合部の内部は、外層部分よりもＳｉ濃度が低くなっており、結合部の電気抵抗や熱抵抗が低く抑えられており、多孔質アルミニウム焼結体の導電性及び熱伝導性を確保することができる。
また、前記アルミニウム基材が、アルミニウム繊維及びアルミニウム粉末のいずれか一方又は両方である。またアルミニウム基材の合金組成は、純アルミニウムの他、一般的なアルミニウム合金であれば好適に用いることができる。
前記アルミニウム基材としてアルミニウム繊維を用いた場合には、柱状突起を介してアルミニウム繊維同士が結合された際に、空隙が保持されやすく気孔率が高くなる傾向にある。そこで、前記アルミニウム基材としてアルミニウム繊維及びアルミニウム粉末を用いて、これらの混合比を調整することにより、多孔質アルミニウム焼結体の気孔率を制御することが可能となる。また、同じ長さの繊維であっても、直線状のものと、曲げや捻じりなどの形状が付与されているものとでは、気孔率や形成される気孔の形状が変わることから、長さを含めた各種の繊維形状因子を変量することにより、多孔質アルミニウム焼結体の気孔率や気孔構造を制御することが可能である。

ここで、本発明の多孔質アルミニウム焼結体においては、前記共晶合金相がさらにＭｇを含有していることが好ましい。
この場合、Ｍｇを含有していない共晶合金相に比べて共晶点が低くなるため、この共晶合金相によってさらに結合部を強化することができ、多孔質アルミニウム焼結体全体の強度をさらに向上させることができる。なお、Ｍｇ濃度についても、結合部の外層部分よりも内部の方が低くなっているので、結合部の電気抵抗や熱抵抗が低く、多孔質アルミニウム焼結体の導電性及び熱伝導性を確保することができる。

本発明の多孔質アルミニウム焼結体の製造方法は、複数のアルミニウム基材が焼結された多孔質アルミニウム焼結体の製造方法であって、前記アルミニウム基材が、アルミニウム繊維及びアルミニウム粉末のいずれか一方又は両方であり、前記アルミニウム基材の外表面に、ＴｉとＳｉを含有するＴｉ−Ｓｉ粒を固着して焼結用アルミニウム原料を形成する焼結用アルミニウム原料形成工程と、前記焼結用アルミニウム原料を積層する焼結用アルミニウム原料積層工程と、積層された前記焼結用アルミニウム原料を加熱して焼結する焼結工程と、を有し、前記アルミニウム基材のうち前記Ｔｉ−Ｓｉ粒が固着された箇所から外方に向けて突出する複数の柱状突起を形成し、この柱状突起を介して複数の前記アルミニウム基材同士を結合することを特徴としている。

この構成の多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、前記アルミニウム基材の外表面に、ＴｉとＳｉを含有するＴｉ−Ｓｉ粒を固着した焼結用アルミニウム原料を、焼結することによって多孔質アルミニウム焼結体を製造している。
上述の焼結用アルミニウム原料を、焼結工程においてアルミニウム基材の融点近傍にまで加熱した場合、アルミニウム基材が溶融することになるが、アルミニウム基材の表面には酸化膜が形成されていることから、溶融したアルミニウムが酸化膜によって保持されており、アルミニウム基材の形状が維持される。

ここで、アルミニウム基材の外表面のうちＴｉ−Ｓｉ粒が固着された部分においては、ＳｉとＡｌとの共晶反応によって融点が局所的に低下するとともに、Ｔｉとの反応によって酸化膜が破壊され、内部の溶融アルミニウムが外方へと噴出し、噴出した溶融アルミニウムがチタンとの反応によって融点の高い化合物を生成して固化する。これにより、アルミニウム基材の外表面に、外方に向けて突出する複数の柱状突起が形成される。このとき、ＡｌとＴｉの包晶反応が吸熱反応であることから、噴出した溶融アルミニウムは短時間で固化するため、柱状突起の内部にまでＳｉが拡散することが抑制され、柱状突起の表層にＡｌとＳｉを含む共晶合金相が形成されることになる。

このように、Ｔｉ−Ａｌ系化合物が存在する結合部を介して複数の前記アルミニウム基材同士を結合されているため、アルミニウムの拡散移動が抑制され、アルミニウム基材同士の間の空隙を維持でき、気孔率の高い多孔質アルミニウム焼結体を製造することができる。
また、柱状突起の表層にＡｌとＳｉを含む共晶合金相が形成されているので、柱状突起を介して結合した結合部を強化することができ、強度の高い多孔質アルミニウム焼結体を製造することができる。
さらに、柱状突起の内部へのＳｉの拡散が抑制されているので、柱状突起を介して結合した結合部における電気抵抗や熱抵抗を低く抑えることができ、導電性及び熱伝導性に優れた多孔質アルミニウム焼結体を製造することができる。

ここで、本発明の多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、前記Ｔｉ−Ｓｉ粒がＭｇを含有していることが好ましい。
この場合、柱状突起の表層に存在する共晶合金相がＡｌとＳｉに加えてＭｇを含有することになり、さらに柱状突起を強化することができ、さらに強度の高い多孔質アルミニウム焼結体を製造することができる。また、Ｍｇについても、柱状突起の内部への拡散が抑制されているので、柱状突起を介して結合した結合部の電気抵抗や熱抵抗を低く抑えることができ、導電性及び熱伝導性に優れた多孔質アルミニウム焼結体を製造することができる。

また、本発明の多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、前記焼結用アルミニウム原料は、アルミニウム基材の他にＴｉを０．１質量％以上２０質量％以下、Ｓｉを０．１質量％以上１５質量％以下、含み、残部が不可避不純物とされた組成を有していてもよい。
この場合、Ｔｉを０．１質量％以上、Ｓｉを０．１質量％以上、含んでいるので、柱状突起を形成してアルミニウム基材同士を確実に結合することができるとともに、共晶合金相を確実に形成することができ、十分な強度を有する多孔質アルミニウム焼結体を得ることができる。また、Ｔｉの含有量が２０質量％以下、Ｓｉの含有量が１５質量％以下に制限されているので、過剰な液相が生じることが抑制され、アルミニウム基材同士の間の空隙に溶融アルミニウムが充填されることを防止でき、高い気孔率の多孔質アルミニウム焼結体を得ることができる。また、電気抵抗や熱抵抗が上昇することを抑制でき、導電性及び熱伝導性に優れた多孔質アルミニウム焼結体を製造することができる。

さらに、本発明の多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、前記焼結用アルミニウム原料は、アルミニウム基材の他にＴｉを０．１質量％以上２０質量％以下、Ｓｉを０．１質量％以上１５質量％以下、Ｍｇを０．１質量％以上５質量％以下、含み、残部が不可避不純物とされた組成を有していてもよい。
この場合、Ｔｉを０．１質量％以上、Ｓｉを０．１質量％以上、Ｍｇを０．１質量％以上、含んでいるので、柱状突起を形成してアルミニウム基材同士を確実に結合することができるとともに、共晶合金相を確実に形成することができ、十分な強度を有する多孔質アルミニウム焼結体を得ることができる。また、Ｔｉの含有量が２０質量％以下、Ｓｉの含有量が１５質量％以下、Ｍｇの含有量が５質量％以下に制限されているので、過剰な液相が生じることが抑制され、アルミニウム基材同士の間の空隙に溶融アルミニウムが充填されることを防止でき、高い気孔率の多孔質アルミニウム焼結体を得ることができる。また、電気抵抗や熱抵抗が上昇することを抑制でき、導電性及び熱伝導性に優れた多孔質アルミニウム焼結体を製造することができる。

また、本発明の多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、前記Ｔｉ−Ｓｉ粒は、金属チタン及び水素化チタンのいずれか一方又は両方からなるＴｉ粉末とＳｉ粉末とを含む粉末原料をバインダーとともに混練して造粒することで成形されたものであることが好ましい。
この場合、金属チタン及び水素化チタンのいずれか一方又は両方からなるＴｉ粉末とＳｉ粉末とを含む粉末原料をバインダーとともに混練して造粒することで成形された前記Ｔｉ−Ｓｉ粒を用いているので、アルミニウム基材の外表面の同じ箇所にＴｉとＳｉを確実に固着することができ、前述の多孔質アルミニウム焼結体を得ることができる。

本発明によれば、気孔率が高く十分な強度を有するとともに導電性及び熱伝導性に優れた多孔質アルミニウム焼結体、及び、多孔質アルミニウム焼結体の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態である多孔質アルミニウム焼結体の拡大模式図である。 図１に示す多孔質アルミニウム焼結体におけるアルミニウム基材同士の接合部のＳＥＭ観察及び組成分析結果を示す図である。 図１に示す多孔質アルミニウム焼結体の製造方法の一例を示すフロー図である。 アルミニウム基材の外表面にＴｉ−Ｓｉ粒を固着した焼結用アルミニウム原料の説明図である。 シート状の多孔質アルミニウム焼結体を製造する連続焼結装置の概略説明図である。 焼結工程においてアルミニウム基材の外表面に柱状突起が形成される状態を示す説明図である。 バルク形状の多孔質アルミニウム焼結体を製造する製造工程を示す説明図である。 本発明の他の実施形態である多孔質アルミニウム焼結体におけるアルミニウム基材同士の接合部のＳＥＭ観察及び組成分析結果を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態である多孔質アルミニウム焼結体１０について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体１０を示す。図１に示すように、本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体１０は、複数のアルミニウム基材１１が焼結されて一体化されたものであり、本実施形態では、その気孔率が３０％以上９０％以下の範囲内に設定されたものとされている。

本実施形態においては、図１に示すように、アルミニウム基材１１として、アルミニウム繊維１１ａとアルミニウム粉末１１ｂとが用いられている。
そして、このアルミニウム基材１１（アルミニウム繊維１１ａ及びアルミニウム粉末１１ｂ）の外表面には、外方に向けて突出する複数の柱状突起１２が形成されており、複数のアルミニウム基材１１（アルミニウム繊維１１ａ及びアルミニウム粉末１１ｂ）同士が、この柱状突起１２を介して結合した結合部１５を有している。なお、図１に示すように、アルミニウム基材１１、１１同士は、柱状突起１２，１２同士が結合した部分や柱状突起１２とアルミニウム基材１１の側面とが接合した部分、さらにはアルミニウム基材１１、１１の側面同士が接合した部分がある。

ここで、図２に示すように、柱状突起１２を介して結合されたアルミニウム基材１１、１１同士の結合部１５には、Ｔｉ−Ａｌ系化合物１６が存在している。
本実施形態では、図２の分析結果に示すように、Ｔｉ−Ａｌ系化合物１６は、ＴｉとＡｌの化合物とされており、より具体的には、Ａｌ_３Ｔｉ金属間化合物とされている。すなわち、本実施形態では、Ｔｉ−Ａｌ系化合物１６が存在している部分において、アルミニウム基材１１、１１同士が結合しているのである。

そして、この結合部１５の表層部分には、図２に示すように、ＡｌとＳｉを含有する共晶合金相１７が形成されている。また、結合部１５の内部は、Ｓｉがほとんど分布しておらず、共晶合金相１７が存在する結合部１５の表層部分に比べてＳｉ濃度が低くなっている。
ここで、共晶合金相１７の厚さは、例えば１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とされている。

次に、本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体１０の原料となる焼結用アルミニウム原料２０について説明する。この焼結用アルミニウム原料２０は、図４に示すように、アルミニウム基材１１と、このアルミニウム基材１１の外表面に固着された複数のＴｉ−Ｓｉ粒２２と、を備えている。このＴｉ−Ｓｉ粒２２は、ＴｉとＳｉとを含有するものとされている。なお、アルミニウム基材は一般的なアルミニウム合金であれば、いずれも好適に用いることが可能であるが、ここでは例示的に純アルミニウムを用いた場合を想定して説明する。

ここで、焼結用アルミニウム原料２０においては、アルミニウム基材の他にＴｉを０．１質量％以上２０質量％以下、Ｓｉを０．１質量％以上１５質量％以下、含み、残部が不可避不純物とされた組成を有している。なお、本実施形態では、アルミニウム基材として純アルミニウムを用いていることから、焼結用アルミニウム原料２０の組成は、Ｔｉの含有量が０．１質量％以上２０質量％以下、Ｓｉの含有量が０．１質量％以上１５質量％以下、残部が不可避不純物となる。
Ｔｉ−Ｓｉ粒２２の粒径は、５μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされており、好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とされている。
さらに、アルミニウム基材１１の外表面に固着された複数のＴｉ−Ｓｉ粒２２同士の間隔は５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

また、アルミニウム基材１１としては、上述したように、アルミニウム繊維１１ａとアルミニウム粉末１１ｂとが用いられている。なお、アルミニウム粉末１１ｂとしては、アトマイズ粉末を用いることができる。
ここで、アルミニウム繊維１１ａの繊維径は２０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内とされており、好ましくは５０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされている。また、アルミニウム繊維１１ａの繊維長さは０．２ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内、好ましくは１ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内とされている。
また、アルミニウム粉末１１ｂの粒径は５μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされており、好ましくは２０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされている。

さらに、アルミニウム繊維１１ａとアルミニウム粉末１１ｂとの混合比率を調整することで気孔率を調整することが可能となる。すなわち、アルミニウム繊維１１ａの比率を増やすことにより多孔質アルミニウム焼結体１０の気孔率を向上させることが可能となるのである。このため、アルミニウム基材１１としては、アルミニウム繊維１１ａを用いることが好ましく、アルミニウム粉末１１ｂを混合する場合にはアルミニウム基材１１におけるアルミニウム粉末１１ｂの比率を１５質量％以下とすることが好ましい。

次に、本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体１０を製造する方法について、図３のフロー図等を参照して説明する。

本実施形態では、まず、図３に示すように、Ｔｉ−Ｓｉ粒２２を造粒する（造粒工程Ｓ０１）。
Ｔｉ粉末とＳｉ粉末とをバインダー溶液とともに密閉容器内に投入し、シェーカーミキサー等の混合装置によって混合し、その後乾燥することにより、Ｔｉ−Ｓｉ粒２２を造粒する。

ここで、Ｔｉ粉末としては、金属チタン粉末又は水素化チタン粉末を用いることができる。Ｔｉ粉末の粒径は１μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。また、Ｓｉ粉末の粒径は５μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、密閉容器内に投入されるＴｉ粉末とＳｉ粉末の質量比Ｔｉ：Ｓｉは、Ｔｉ：Ｓｉ＝１〜５：０．１〜１０の範囲内とすることが好ましい。

バインダー溶液としては、大気中で５００℃に加熱した際に燃焼・分解されるものが好ましく、例えばアクリル系樹脂やセルロース系高分子体を溶媒（水系、アルコール系、有機溶剤系の各種溶剤）で希釈したバインダー溶液を用いることができる。

そして、本実施形態においては、Ｔｉ粉末及びＳｉ粉末の粒径、Ｔｉ粉末とＳｉ粉末の質量比、バインダー溶液の濃度、投入量等を調整することにより、造粒されるＴｉ−Ｓｉ粒２２の平均粒径を、５μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内としている。例えば、粒径５μｍのＴｉＨ_２粉末と粒径５μｍのＳｉ粉末とを重量比ＴｉＨ_２：Ｓｉ＝１：１．５として造粒した場合には、平均粒径約２０μｍのＴｉ−Ｓｉ粒２２が製造される。

次に、造粒されたＴｉ−Ｓｉ粒２２とアルミニウム基材１１を用いて焼結用アルミニウム原料２０を製造する。
まず、常温にて、アルミニウム基材１１とＴｉ−Ｓｉ粒２２を混合する（混合工程Ｓ０２）。このとき、バインダー溶液を噴霧する。なお、バインダーとしては、大気中で５００℃に加熱した際に燃焼・分解されるものが好ましく、具体的には、アクリル系樹脂、セルロース系高分子体を用いることが好ましい。また、バインダーの溶剤としては、水系、アルコール系、有機溶剤系の各種溶剤を用いることができる。
この混合工程Ｓ０２においては、例えば、自動乳鉢、パン型転動造粒機、シェーカーミキサー、ポットミル、ハイスピードミキサー、Ｖ型ミキサー等の各種混合機を用いて、アルミニウム基材１１とＴｉ−Ｓｉ粒２２とを流動させながら混合する。

次に、混合工程Ｓ０２で得られた混合体を乾燥する（乾燥工程Ｓ０３）。
この混合工程Ｓ０２及び乾燥工程Ｓ０３により、図４に示すように、アルミニウム基材１１の外表面にＴｉ−Ｓｉ粒２２が分散されて固着されることになり、本実施形態である焼結用アルミニウム原料２０が製造される。なお、アルミニウム基材１１の外表面に固着された複数のＴｉ−Ｓｉ粒２２同士の間隔が５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内となるようにＴｉ−Ｓｉ粒２２を分散させることが好ましい。

次に、上述のようにして得られた焼結用アルミニウム原料２０を用いて多孔質アルミニウム焼結体１０を製造する。
ここで、本実施形態では、図５に示す連続焼結装置３０を用いて、例えば幅：３００ｍｍ×厚さ：１〜５ｍｍ×長さ：２０ｍの長尺のシート状多孔質アルミニウム焼結体１０を製造する。
この連続焼結装置３０は、焼結用アルミニウム原料２０を均一に散布する原料散布機３１と、原料散布機３１から供給された焼結用アルミニウム原料２０を保持するカーボンシート３２と、このカーボンシート３２を駆動する搬送ローラ３３と、カーボンシート３２とともに搬送される焼結用アルミニウム原料２０を加熱してバインダーを除去する脱脂炉３４と、バインダーが除去された焼結用アルミニウム原料２０を加熱して焼結する焼成炉３５と、を備えている。

まず、原料散布機３１から、カーボンシート３２上に向けて、焼結用アルミニウム原料２０を散布し、焼結用アルミニウム原料２０を積層配置する（原料積層工程Ｓ０４）。
カーボンシート３２上に積層された焼結用アルミニウム原料２０は、進行方向Ｆに向けて移動する際に、カーボンシート３２の幅方向に広がって厚さが均一化され、シート状に成形される。このとき、荷重を加えていないことから、焼結用アルミニウム原料２０中のアルミニウム基材１１，１１同士の間には空隙が形成される。

次に、カーボンシート３２上においてシート状に成形された焼結用アルミニウム原料２０は、カーボンシート３２とともに脱脂炉３４内に装入され、所定温度に加熱されることによってバインダーが除去される（脱バインダー工程Ｓ０５）。
ここで、脱バインダー工程Ｓ０５においては、大気雰囲気中で、３５０〜５００℃の温度範囲で０．５〜５分間保持し、焼結用アルミニウム原料２０中のバインダーを除去する。なお、本実施形態では、上述のように、アルミニウム基材１１の外表面にＴｉ−Ｓｉ粒２２を固着する目的でのみバインダーを用いていることから、粘性組成物に比べてバインダーの含有量が極めて少なく、短時間でバインダーを十分に除去することが可能である。

次に、バインダーが除去された焼結用アルミニウム原料２０は、カーボンシート３２とともに焼成炉３５内に装入され、所定温度に加熱されることによって焼結される（焼結工程Ｓ０６）。
この焼結工程Ｓ０６においては、不活性ガス雰囲気中で、６００〜６５５℃の温度範囲で０．５〜６０分間保持することにより実施される。なお、保持時間は１〜２０分間とすることが好ましい。なお、アルミニウム基材に融点がＴｍ℃のアルミニウム合金を用いた場合は、Ｔｉ−Ｓｉ粒中のＴｉとＳｉの比率を調整し、保持温度をＴｍ−６０〜Ｔｍ℃の範囲で適宜調整するものとする。

この焼結工程Ｓ０６においては、焼結用アルミニウム原料２０中のアルミニウム基材１１は溶融することになるが、アルミニウム基材１１の表面には酸化膜が形成されていることから、溶融したアルミニウムが酸化膜によって保持され、アルミニウム基材１１の形状が維持される。

そして、アルミニウム基材１１の外表面のうちＴｉ−Ｓｉ粒２２が固着された部分においては、Ｔｉ−Ｓｉ粒２２のＴｉとの反応によって酸化膜が破壊され、内部の溶融アルミニウムが外方へと噴出する。噴出された溶融アルミニウムはチタンとの反応によって融点の高い化合物を生成して固化することになる。これにより、図６に示すように、アルミニウム基材１１の外表面に、外方に向けて突出する複数の柱状突起１２が形成される。ここで、柱状突起１２の先端には、Ｔｉ−Ａｌ系化合物１６が存在しており、このＴｉ−Ａｌ系化合物１６によって柱状突起１２の成長が抑制されているのである。
なお、Ｔｉ−Ｓｉ粒２２の原料として水素化チタン（ＴｉＨ_２）を用いた場合には、３００〜４００℃付近で水素化チタンが分解し、生成したチタンがアルミニウム基材１１の表面の酸化膜と反応することになる。

また、本実施形態では、Ｔｉ−Ｓｉ粒２２のＳｉとＡｌとの反応によって共晶合金相１７が形成される。なお、上述のように、噴出された溶融アルミニウムがチタンとの反応によって融点の高い化合物を生成して固化することから、Ｓｉは柱状突起１２の内部にまで拡散することが抑制される。これにより、柱状突起１２の表層に共晶合金相１７が存在し柱状突起１２の内部は、柱状突起１２の表層部分よりもＳｉ濃度が低くなる。

このとき、隣接するアルミニウム基材１１，１１同士が、互いの柱状突起１２を介して溶融状態で一体化あるいは固相焼結することによって結合され、図１に示すように、柱状突起１２を介して複数のアルミニウム基材１１、１１同士が結合された多孔質アルミニウム焼結体１０が製造されることになる。そして、柱状突起１２を介してアルミニウム基材１１、１１同士が結合された結合部１５には、Ｔｉ−Ａｌ系化合物１６（本実施形態では、Ａｌ_３Ｔｉ金属間化合物）が存在し、この結合部１５の表層に共晶合金相１７が存在することになる。

以上のような構成とされた本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体１０においては、アルミニウム基材１１、１１同士の結合部１５にＴｉ−Ａｌ系化合物１６が存在しているので、このＴｉ−Ａｌ系化合物１６によってアルミニウム基材１１の表面に形成された酸化膜が除去されており、アルミニウム基材１１，１１同士が良好に結合している。よって、強度が十分な高品質の多孔質アルミニウム焼結体１０を得ることができる。
また、このＴｉ−Ａｌ系化合物１６によって柱状突起１２の成長が抑制されることから、溶融アルミニウムがアルミニウム基材１１、１１同士の間の空隙に噴出することを抑制でき、高い気孔率の多孔質アルミニウム焼結体１０を得ることができる。
さらに、本実施形態では、アルミニウム基材１１，１１同士の結合部１５にＴｉ−Ａｌ系化合物１６としてＡｌ_３Ｔｉが存在しているので、アルミニウム基材１１の表面に形成された酸化膜が確実に除去され、アルミニウム基材１１，１１同士が良好に結合しており、多孔質アルミニウム焼結体１０の強度を確保することができる。

そして、本実施形態では、アルミニウム基材１１同士が結合された結合部１５に、ＡｌとＳｉを含む共晶合金相１７が存在しているので、この共晶合金相１７によって結合部１５が強化されることになり、多孔質アルミニウム焼結体１０全体の強度を向上させることができる。
さらに、ＡｌとＳｉを含む共晶合金相１７が結合部１５の表層に存在しており、結合部１５の内部は表層部分よりもＳｉ濃度が低くなっているので、結合部１５における電気抵抗及び熱抵抗が低くなり、多孔質アルミニウム焼結体１０の導電性及び熱伝導性を確保することができる。

また、アルミニウム基材１１の外表面に形成された柱状突起１２を介して、アルミニウム基材１１、１１同士が結合されている構造とされているので、別途、発泡工程等を実施することなく、気孔率の高い多孔質アルミニウム焼結体１０を得ることができる。よって、本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体１０を効率良く、かつ、低コストで製造することが可能となる。
特に本実施形態では、図５に示す連続焼結装置３０を用いていることから、シート状の多孔質アルミニウム焼結体１０を連続して製造することができ、生産効率が大幅に向上することになる。

さらに、本実施形態では、粘性組成物に比べてバインダーの含有量が極めて少ないことから、脱バインダー工程Ｓ０５を短時間で実施することができる。また、焼結時の収縮率が例えば１％程度と小さくなり、寸法精度に優れた多孔質アルミニウム焼結体１０を得ることが可能となる。
また、本実施形態においては、アルミニウム基材１１としてアルミニウム繊維１１ａ及びアルミニウム粉末１１ｂを用いているので、これらの混合比や基材そのものの粒径やアスペクト比、曲げ・捻じれなど各種形状因子を調整する、成形工程において必要に応じてプレス成形を行うことにより、多孔質アルミニウム焼結体１０の気孔率を制御することが可能となる。

また、本実施形態においては、焼結用アルミニウム原料２０が、アルミニウム基材の他にＴｉを０．１質量％以上２０質量％以下、Ｓｉを０．１質量％以上１５質量％以下、含み、残部が不可避不純物とされた組成を有しているので、柱状突起１２を形成してアルミニウム基材１１同士を確実に結合することができるとともに、共晶合金相１７を確実に形成することができ、十分な強度を有する多孔質アルミニウム焼結体１０を得ることができる。また、焼結工程Ｓ０６において、過剰な液相が生じることが抑制され、アルミニウム基材１１同士の間の空隙に溶融アルミニウムが充填されることを防止でき、高い気孔率の多孔質アルミニウム焼結体１０を得ることができる。

また、本実施形態では、Ｔｉ−Ｓｉ粒２２は、金属チタン及び水素化チタンのいずれか一方又は両方からなるＴｉ粉末とＳｉ粉末をバインダーとともに混練して造粒することで成形されたものであるので、アルミニウム基材１１の外表面の同じ箇所にＴｉとＳｉを確実に固着することができ、前述の多孔質アルミニウム焼結体１０を得ることができる。
さらに、本実施形態では、造粒されるＴｉ−Ｓｉ粒２２の平均粒径を、５μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とし、アルミニウム基材１１の外表面に固着された複数のＴｉ−Ｓｉ粒２２同士の間隔を５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内としているので、複数の柱状突起１２が適正な間隔で形成され、気孔率が高く、かつ、強度の高い多孔質アルミニウム焼結体１０を得ることができる。

さらに、本実施形態では、アルミニウム基材１１としてアルミニウム繊維１１ａとアルミニウム粉末１１ｂとを用いており、アルミニウム基材１１におけるアルミニウム粉末１１ｂの比率を１５質量％以下としているので、気孔率の高い多孔質アルミニウム焼結体１０を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、図５に示す連続焼結装置を用いて多孔質アルミニウム焼結体を連続的に製造するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の製造装置によって多孔質アルミニウム焼結体を製造してもよい。

また、本実施形態では、シート状の多孔質アルミニウム焼結体として説明したが、これに限定されることはなく、例えば図７で示す製造工程によって製造されるバルク形状の多孔質アルミニウム焼結体であってもよい。
図７に示すように、焼結用アルミニウム原料２０を散布する原料散布機１３１から、カーボン製容器１３２内に向けて焼結用アルミニウム原料２０を散布してかさ充填し、必要に応じてプレス成形する（原料散布工程）。これを、脱脂炉１３４内に装入して、大気雰囲気で加熱してバインダーを除去する（脱バインダー工程）。その後、焼成炉１３５内に装入して、Ａｒ雰囲気で６００〜６５５℃に加熱保持することにより、バルク形状の多孔質アルミニウム焼結体１１０が得られる。なお、焼結用アルミニウム原料２０のアルミニウム基材に融点Ｔｍ℃のアルミニウム合金を用いた場合は、Ｔｉ−Ｓｉ粒中のＴｉとＳｉの比率を調整し、保持温度をＴｍ−６０〜Ｔｍ℃の範囲で適宜調整するものとする。
本説明では、離型性の良いカーボン製容器１３２を用いており、かつ、焼結時に１％程度の収縮が発生することから、カーボン製容器１３２からバルク形状の多孔質アルミニウム焼結体１１０を比較的容易に取り出すことができる。

さらに、本実施形態では、Ｔｉ−Ｓｉ粒２２がＴｉとＳｉを含有するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｔｉ及びＳｉに加えてＭｇを含有していてもよい。この場合、焼結用アルミニウム原料は、アルミニウム基材の他にＴｉを０．１質量％以上２０質量％以下、Ｓｉを０．１質量％以上１５質量％以下、Ｍｇを０．１質量％以上５質量％以下、含み、残部が不可避不純物とされた組成を有していることが好ましい。
このようにＭｇを含有するＴｉ−Ｓｉ粒（すなわち、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｍｇ粒）は、Ｔｉ粉末とＳｉ粉末とＭｇ粉末とをバインダー溶液とともに密閉容器内に投入し、シェーカーミキサー等の混合装置によって混合し、その後乾燥することにより造粒される。

ここで、Ｍｇ粉末の粒径は２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。また、Ｔｉ粉末とＳｉ粉末とＭｇ粉末の質量比Ｔｉ：Ｓｉ：Ｍｇは、０．１〜２：０．１〜１０：０．１〜５の範囲内とすることが好ましい。なお、バインダー溶液については上述の実施形態で用いたものを適用することができる。このようにＴｉ粉末、Ｓｉ粉末及びＭｇ粉末の粒径、Ｔｉ粉末とＳｉ粉末とＭｇ粉末の質量比、バインダー溶液の濃度、投入量等を調整することにより、造粒されるＴｉ−Ｓｉ粒（Ｔｉ−Ｓｉ−Ｍｇ粒）の平均粒径を、２０μｍ以上５５０μｍ以下の範囲内とすることができる。例えば、粒径５μｍのＴｉＨ_２粉末と粒径５μｍのＳｉ粉末と粒径３０μｍのＭｇ粉末とを重量比ＴｉＨ_２：Ｓｉ：Ｍｇ＝１：１．５：１として造粒した場合には、平均粒径約４０μｍのＴｉ−Ｓｉ粒（Ｔｉ−Ｓｉ−Ｍｇ粒）が製造される。

このようにＭｇを含有したＴｉ−Ｓｉ粒を用いた場合、図８に示すように、柱状突起１２を介して結合されたアルミニウム基材１１、１１同士の結合部１５には、Ｔｉ−Ａｌ系化合物１６が存在するとともに、結合部１５の表層部分にＡｌとＳｉとＭｇを含有する共晶合金相１１７が存在することになる。また、結合部１５の内部は、Ｓｉ及びＭｇがほとんど分布しておらず、共晶合金相１１７が存在する結合部１５の表層部分に比べてＳｉ濃度及びＭｇ濃度が低くなっている。ここで、共晶合金相１１７の厚さは、実施形態で説明したＡｌとＳｉとからなる共晶合金相１７よりも厚く形成されており、具体的には２μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とされており、さらに結合部１５の強度が向上することになり、より強度の高い多孔質アルミニウム焼結体を得ることができる。

また、本実施形態では、純アルミニウムからなるアルミニウム基材を用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、一般的なアルミニウム合金からなるアルミニウム基材を用いてもよい。
例えば、ＪＩＳに規定されるＡ３００３合金(Ａｌ−０．６質量％Ｓｉ−０．７質量％Ｆｅ−０．１質量％Ｃｕ−１．５質量％Ｍｎ−０．１質量％Ｚｎ合金)やＡ５０５２合金（Ａｌ−０．２５質量％Ｓｉ−０．４０質量％Ｆｅ−０．１０質量％Ｃｕ−０．１０質量％Ｍｎ―２．５質量％Ｍｇ合金―０．２質量％Ｃｒ―０．１質量％Ｚｎ合金）などからなるアルミニウム基材を用いた場合には、合金成分にＳｉやＭｇを含有しているが、焼結用アルミニウム原料には、これとは別にＴｉ−Ｓｉ粒（Ｔｉ−Ｓｉ−Ｍｇ粒）が添加されており、アルミニウム原料全体での組成は、アルミニウム基材に含有されるＳｉやＭｇ等の合金元素に加えてさらにＴｉを０．１質量％以上２０質量％以下、Ｓｉを０．１質量％以上１５質量％以下、含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物とした組成、あるいは、アルミニウム基材に含有されるＳｉやＭｇ等の合金元素に加えてさらにＴｉを０．１質量％以上２０質量％以下、Ｓｉを０．１質量％以上１５質量％以下、Ｍｇを０．１質量％以上５質量％以下Ｍ含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物とした組成とされている。
また、アルミニウム基材も１種類の組成に限定されることなく、例えば、純アルミニウムからなる繊維とＪＩＳ Ａ３００３合金からなる粉末の混合物とするなど、目的に応じて適宜調整することができる。

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
上述の実施形態で示した方法により、表１に示す原料を用いて、焼結用アルミニウム原料を作製した。なお、アルミニウム基材として、Ａ１０７０（純アルミニウム）からなり、繊維径が２０μｍ以上１０００μｍ以下のアルミニウム繊維、及び、粒径が５μｍ以上５００μｍ以下のアルミニウム粉末を用いた。

本発明例１−８においては、ＴｉＨ_２粉末、Ｓｉ粉末、Ｍｇ粉末を用いて上述の実施形態で示した方法によってＴｉ−Ｓｉ粒（Ｔｉ−Ｓｉ−Ｍｇ粒）を造粒した。そして、このＴｉ−Ｓｉ粒（Ｔｉ−Ｓｉ−Ｍｇ粒）とアルミニウム基材とを用いて、上述の実施形態で示した方法によって焼結用アルミニウム原料を製造した。
一方、比較例１，２においては、ＴｉＨ_２粉末、Ｓｉ粉末、Ｍｇ粉末をそのままアルミニウム基材と混合し、焼結用アルミニウム原料を製造した。

上述の焼結用アルミニウム原料を用いて、上述の実施形態で示した製造方法により、幅３０ｍｍ×長さ２００ｍｍ×厚さ５ｍｍの多孔質アルミニウム焼結体を製造した。なお、焼結工程の条件は、焼結温度：６３０℃、焼結温度保持時間：１５分とした。
得られた多孔質アルミニウム焼結体について、見掛気孔率、引張強度、電気抵抗率を、以下に示す方法で評価した。評価結果を表１に示す。

（見掛気孔率）
得られた多孔質アルミニウム焼結体の質量ｍ（ｇ）、体積Ｖ（ｃｍ^３）、真密度ｄ（ｇ／ｃｍ^３）を測定し、以下の式で見掛気孔率を算出した。
見掛気孔率（％）＝（１−（ｍ÷（Ｖ×ｄ）））×１００
なお、真密度（ｇ／ｃｍ^３）は、精密天秤を用いて、水中法によって測定した。

（引張強度）
得られた多孔質アルミニウム焼結体は、幅１０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ５ｍｍの試験片に加工した後、インストロン型引張試験機を用いた引張試験法によって測定した。

（電気抵抗率）
デジタルマルチメータを使用し、断面積Ａ（ｃｍ^２）、長さＬ（ｃｍ）の試験片の電気抵抗Ｒを測定し、以下の式から電気抵抗率を算出した。
電気抵抗率ρ（ｍΩ・ｃｍ）＝Ｒ（ｍΩ）×Ａ（ｃｍ^２）／Ｌ（ｃｍ）

表１に示すように、Ｔｉ−Ｓｉ粒（Ｔｉ−Ｓｉ−Ｍｇ粒）を用いた本発明例１−８においては、ＴｉＨ_２粉末、Ｓｉ粉末、Ｍｇ粉末をそのまま用いた比較例１，２に比べて、電気抵抗率が低くなっており、導電性に優れていることが確認された。また、本発明例１−８においては、気孔率及び強度に優れていることが確認された。
以上のことから、本発明によれば、高い気孔率及び十分な強度を有するともに導電性に優れた高品質の多孔質アルミニウム焼結体を提供可能であることが確認された。

１０，１１０ 多孔質アルミニウム焼結体
１１ アルミニウム基材
１１ａ アルミニウム繊維
１１ｂ アルミニウム粉末
１２ 柱状突起
１５ 結合部
１６ Ｔｉ−Ａｌ系化合物
１７，１１７ 共晶合金相
２０ 焼結用アルミニウム原料
２２ Ｔｉ−Ｓｉ粒

Claims (7)

1. 複数のアルミニウム基材が焼結された多孔質アルミニウム焼結体であって、
   前記アルミニウム基材が、アルミニウム繊維及びアルミニウム粉末のいずれか一方又は両方であり、
   前記アルミニウム基材の外表面には外方に向けて突出する柱状突起が形成され、前記アルミニウム基材同士が前記柱状突起を介して結合した結合部を有し、
   この結合部にはＴｉ−Ａｌ系化合物が存在し、前記結合部の表層にはＡｌとＳｉを含有する共晶合金相が存在していることを特徴とする多孔質アルミニウム焼結体。
2. 前記共晶合金相がさらにＭｇを含有していることを特徴とする請求項１に記載の多孔質アルミニウム焼結体。
3. 複数のアルミニウム基材が焼結された多孔質アルミニウム焼結体の製造方法であって、
   前記アルミニウム基材が、アルミニウム繊維及びアルミニウム粉末のいずれか一方又は両方であり、
   前記アルミニウム基材の外表面に、ＴｉとＳｉを含有するＴｉ−Ｓｉ粒を固着して焼結用アルミニウム原料を形成する焼結用アルミニウム原料形成工程と、前記焼結用アルミニウム原料を積層する焼結用アルミニウム原料積層工程と、積層された前記焼結用アルミニウム原料を加熱して焼結する焼結工程と、を有し、
   前記アルミニウム基材のうち前記Ｔｉ−Ｓｉ粒が固着された箇所から外方に向けて突出する複数の柱状突起を形成し、この柱状突起を介して複数の前記アルミニウム基材同士を結合することを特徴とする多孔質アルミニウム焼結体の製造方法。
4. 前記Ｔｉ−Ｓｉ粒がＭｇを含有していることを特徴とする請求項３に記載の多孔質アルミニウム焼結体の製造方法。
5. 前記焼結用アルミニウム原料は、アルミニウム基材の他にＴｉを０．１質量％以上２０質量％以下、Ｓｉを０．１質量％以上１５質量％以下、含み、残部が不可避不純物とされた組成を有していることを特徴とする請求項３に記載の多孔質アルミニウム焼結体の製造方法。
6. 前記焼結用アルミニウム原料は、アルミニウム基材の他にＴｉを０．１質量％以上２０質量％以下、Ｓｉを０．１質量％以上１５質量％以下、Ｍｇを０．１質量％以上５質量％以下、含み、残部が不可避不純物とされた組成を有していることを特徴とする請求項４に記載の多孔質アルミニウム焼結体の製造方法。
7. 前記Ｔｉ−Ｓｉ粒は、金属チタン及び水素化チタンのいずれか一方又は両方からなるＴｉ粉末とＳｉ粉末とを含む粉末原料をバインダーとともに混練して造粒することで成形されたものであることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の多孔質アルミニウム焼結体の製造方法。