JPH0217618B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は無機質繊維を強化材とし、金属または
合金（以下金属類と略称する）をマトリツクスと
する機械強度のすぐれた繊維強化金属複合材料
（以下複合材料と略称する）に関する。 近年、無機質繊維にアルミナ繊維、炭素繊維、
シリカ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊
維などを用い、マトリツクスにアルミニウム、マ
グネシウム、銅、ニツケル、チタンなどを用いた
複合材料が開発され、多くの産業分野に使用され
始めている。 無機質繊維と金属類を複合化する際溶融または
高温の金属類と無機質繊維界面で反応が生じ、脆
化層が生ずる。このため複合材料の強度は低下
し、理論強度と比較して低い強度を与える場合が
多い。 かかる繊維劣化を防止するために種々の方法、
例えば繊維の表面をコーテイング剤等で処理する
方法などがとられている。 例えば、特開昭53−30407号公報に示されるよ
うにシリコンカーバイド繊維表面を炭素に対して
不活性または安定な化合物を形成する金属類また
はセラミツクスで保護した後にマトリツクス金属
類と複合化する方法などが知られているが、この
方法はシリコンカーバイド繊維には有効である
が、他無機繊維には余り効果が認められないこと
や取扱い上の面倒さ、コスト高などの問題が生じ
実用的でない。一方特開昭51−70116号公報には
アルミニウムマトリツクス中にリチウムを数％添
加する事により繊維強化金属複合材料の機械強度
が向上する事を述べている。しかし、この方法は
無機繊維がマトリツクス金属類と全く濡れない
か、反応しない場合には有効であるが、無機繊維
がマトリツクス金属類と反応して劣化する時には
無効である以上に逆に強度低下をもたらす傾向に
ある。 以上に示すごとく容易かつ安価な方法で繊維強
化金属複合材料の機械強度を向上させるに到つて
いないのが現状である。 本発明者らはこれらの現状から繊維強化金属複
合材料の強度を向上させるためには、無機繊維と
マトリツクス金属類の界面での反応による無機繊
維の劣化を防止すればよいのであり、それを容易
且つ安価に実施し得る方法を鋭意検討した。 その結果アルミニウムおよびマグネシウムから
選ばれた金属または合金（ただし、合金中に、ビ
スマス、スズ、カドミウム、アンチモン、インジ
ウム、バリウム、ストロンチウムおよびラジウム
を含まない。）をマトリツクスとし、該マトリツ
クスにビスマス、カドミウム、アンチモン、イン
ジウム、バリウム、ストロンチウムおよびラジウ
ムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属
元素を添加することにより、アルミナ質繊維とマ
トリツクス金属類との反応によるアルミナ質繊維
の劣化を防止する事ができ、この金属類をマトリ
ツクスとした複合材料の機械強度が飛躍的に向上
することを見い出し本発明に到つた。 以下に本発明を詳細に説明する。 本発明複合材料中に含まれるアルミナ質繊維の
割合は特に限定されるものではないが、好ましく
は15〜70容積％の範囲である。15容積％未満では
強化効果が小さく、70容積％を超えると繊維同志
の接触により、かえつて強度が低下する。繊維形
状は長繊維、短繊維いずれをも使用する事がで
き、目的、用途に応じていずれかまたは両者を同
時に使用できる。目的とする機械強度または弾性
率を得るために一方向、クロスプライ、ランダム
配向などの配向方法を選択する事が出来る。これ
らのアルミナ質強化繊維のうち本発明の金属強化
効果を最も顕著に示しうる繊維は特公昭51−
13768号に記載されているアルミナ質繊維である。 即ち、一般式 （式中、Ｙは有機残基、ハロゲン、水酸基の一種
または二種以上を示す。） で表わされる構造単位を有するポリアルミノキサ
ンを原料とし、これに得られるシリカアルミナ繊
維中のシリカ含有量が28％以下であるような量の
ケイ素を含む化合物を一種または二種以上混合
し、該混合物を紡糸して得られる前駆体繊維を焼
成してなるアルミナ質繊維であり、好ましくはシ
リカ（SiO₂）含有量か２重量％以上、25重量％
以下の組成のものであり、Ｘ線的構造においてα
−Al₂O₃の反射を実質的に示さないアルミナ繊維
である。このアルミナ質繊維は本発明の効果をそ
こなわない範囲でリチウム、ベリリウム、ホウ
素、ナトリウム、マグネシウム、ケイ素、リン、
カリウム、カルシウム、チタン、クロム、マンガ
ン、イツトリウム、ジルコニウム、ランタン、タ
ングステン、バリウムなどの一種または二種以上
の酸化物などのような耐火性化合物を含有するこ
とができる。 本発明に用いられるマトリツクス金属類として
好適なものはアルミニウム、マグネシウムまたは
その合金である。軽量かつ高温度が要求される場
合には、これらの金属または合金をマトリツクス
とする系が好適である。本発明でいうこられの金
属類は通常の使用にさしつかえない範囲で少量の
不純物元素を含有していてもさしつかえない。 本発明の特徴はこれ等の金属類にビスマス、カ
ドミウム、アンチモン、インジウム、バリウム、
ストロンチウムおよびラジウムよりなる群から選
ばれる少なくとも一種の金属元素を添加し、この
金属類をマトリツクスとして用いることにより複
合材料の強度を飛躍的に向上させることに在る。 この添加金属による強度向上の機構については
明らかではないが以下の通りと考えられる。 ここにあげられている添加元素は金属類に添加
されるとその金属類の表面におけるこれら添加元
素の濃度は平均濃度より高くなる。例えば金属が
アルミニウムの場合、ビスマス、カドミウム、ア
ンチモン、インジウム、ストロンチウム、バリウ
ムを0.1モル％添加することによりアルミニウム
の表面張力は、それぞれ400、15、105、20、60、
300dyn／cm低下する。 これはGibbsの吸着等温式によつて示されるよ
うに表面部分のこれら添加元素の濃度がマトリツ
クス中における平均濃度より高くなつているため
である。 実際に本発明者らはオージエ（Auger）走査顕
微鏡およびEPMA（Electron Probe Micro
Analyser）分析を行なつた結果、これらの事実
を確認した。 次にこれら添加元素を含有した金属類をマトリ
ツクスとした無機質繊維強化金属複合材料の破断
面を走査型電子顕微鏡で観察するとビスマス、カ
ドミウム、アンチモン、インジウムの１種または
２種以上を含有するアルミニウムをマトリツクス
とした繊維強化金属複合材料では添加元素のない
系と比較して繊維／マトリツクス界面の結合が弱
くなつている。繊維の外周面に見られたマトリツ
クス金属との反応相が消失するなどの現象が見ら
れ、繊維−マトリツクス界面での反応が低下して
いることが観察される。即ちこれらの添加元素は
繊維−マトリツクス界面に高濃度に存在し、界面
での繊維−マトリツクスの反応を制御する働きを
有し、従つて複合材料の強度が飛躍的に向上する
ものと考えられる。 一方、バリウム、ストロンチウム、ラジウムの
１種または２種以上を含有した系では、添加元素
のない系と比較して繊維−マトリツクス界面の結
合は弱くなつていないにも拘らず、繊維の外周面
に見られたマトリツクス金属との反応相は消失し
ているなどの現象が見られる。この複合材料から
塩酸水溶液を用いて、マトリツクス金属を溶解除
去して取り出した繊維の強度を測定したところ、
複合化前の繊維強度と比較して、添加元素のない
系ではかなりの強度の低下が見られるのに対し、
これらの添加元素の存在する系では繊維強度の低
下は殆んど認められなかつた。 以上の事からこれら添加元素は繊維−マトリツ
クス界面に高濃度に存在し、繊維と単層で反応す
ることによつて繊維とマトリツクス金属類との反
応を抑制する働きを有し、従つて複合材料の強度
が飛躍的に向上するものと考えられる。 これら添加金属元素のマトリツクス金属類への
添加方法は種々の方法が取り得、一般の合金の製
造方法に従つて添加して何ら問題は生じない。例
えばマトリツクスとなる金属をるつぼ中で空気中
あるいは不活性雰囲気下で溶融し希望の添加金属
元素の一種または二種以上を添加し、十分に撹拌
し、冷却して作製する方法がある。 これら添加金属元素の好適な添加量はマトリツ
クス金属類に対し、0.005重量％以上0.05重量％
より少ない範囲である。 添加量が0.0005重量％より少ない場合、本発明
の効果が顕著に認められない。添加量が0.0005重
量％と非常に少ない量でも効果を有することは驚
くべき事であるが、前述の機構に従えば、繊維−
マトリツクス金属類の界面により高濃度に存在す
る事で効果が理解される。 本発明複合材料は、種々の方法によつて製造し
得る。 すなわちその主なものとして、(1)液体金属含浸
法のような液相法、(2)拡散接合のような固相法、
(3)粉末冶金（焼結、溶結）法、(4)溶射、電析、蒸
着などの沈積法、(5)押出、圧延などの塑性加工
法、(6)高圧凝固鋳造法などが例示される。本発明
の効果が特に顕著に認められる方法は(1)の液体金
属含浸法や(6)の高圧凝固鋳造法などのように溶融
金属と繊維が直接接触する場合であるが、(2)〜(5)
に示される製造方法においても明らかに効果が認
められる。 この様にして製造された複合材料は本発明に用
いられる添加金属元素の存在しない場合と比較し
て大幅な機械強度の向上が認められる。また加工
法上も既存の設備、方法を何ら変更することなく
本発明を実行できることは実生産上からも非常に
大きなメリツトである。以下本発明を実施例によ
りさらに詳しく説明するが本発明はこれによつて
限定されるものではない。 実施例 １ マトリツクス金属としてアルミニウムを主成分
とした第１表に示される組成を有する合金を一般
的な合金調整法により作製した。組成は原子吸光
法により分析した結果である。 平均繊維径14μｍ引張り強度150Kg／mm²、引張
り弾性率23500Kg／mm²のアルミナ繊維（Al₂O₃含
有率85重量％、SiO₂含有率15重量％）を用い、
内径４mmの鋳型管に平行に引き入れた。次いで上
記合金をアルゴンガス雰囲気中700℃で溶解し、
この中に鋳型管の一端を浸漬し、他方を真空脱気
しつつ、溶湯表面に50Kg／cm²の圧力をかけて繊維
間へ合金を浸透させ、これを冷却して複合化を完
了した。複合体の繊維体積含有率は50±１％にな
るように調整した。 また比較のため、純アルミニウム（純度99.9
％）をマトリツクスとして、全く同じ方法で繊維
強化金属複合材料を得た。このようにして作製し
た繊維強化金属複合材料の常温での曲げ強度、曲
げ弾性率を測定した。結果を第１表に示す。いず
れの場合も純アルミニウムをマトリツクスとした
複合体よりも大巾な強度の向上が認められた。

【表】 実施例 ２ マトリツクス金属をマグネシウムまたは銅に変
えた場合について示す。マグネシウムの場合は、
市販の純マグネシウム（純度99.9％）1000ｇと
0.20ｇのバリウムを黒鉛製るつぼ中にとりアルコ
ンガス雰囲気下、このるつぼを約700℃まで加熱
し、十分に撹拌した後室温まで冷却し、Mg−
0.018重量％Ba合金を得た。この合金をマトリツ
クスとし、実施例１で用いたアルミナ繊維、およ
び複合化方法により700℃にて複合化し、繊維強
化金属複合材料を得た。比較のための純マグネシ
ウムをマトリツクスとした繊維強化複合材料を同
じ条件下にて作製した。 次にCu0.032重量％Ba合金パウダーを、ポリメ
チルメタクリレートのクロロホルム溶液中に懸濁
したものに実施例１で用いたのと同じアルミナ繊
維を浸漬し、表面をCu0.032重量％Ba合金粉でコ
ートされたアルミナ繊維を調整した。このシート
は厚み約250μを有し、繊維体積含有率は55.4％で
あつた。このシートを10枚積ね合わせ炭素製鋳型
に入れ、真空ホツトプレス中真空度10^-2Torr600
℃で２時間結合材のポリメチルメタクリレートを
分解除去したのち、徐々に加圧、加熱して最終的
に10^-3Torr1010℃250Kg／mm²の条件で２時間保持
し、繊維強化複合材料を得た。比較のためマトリ
ツクスとしてMgまたはCuのみの繊維強化金属複
合材料と同じ方法、条件下にて作製した。これら
の複合材料の室温における曲げ強度と曲げ弾性率
を測定した結果を第２表に示す。いずれの場合
も、バリウムを添加することによつて大巾に曲げ
強度が向上している。

【表】 表中％は重量％を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アルミニウムおよびマグネシウムから選ばれ
   た金属または合金（ただし、合金中に、ビスマ
   ス、スズ、カドミウム、アンチモン、インジウ
   ム、バリウム、ストロンチウム、およびラジウム
   を含まない。）をマトリツクスとし、強化材とし
   てアルミナ質繊維を15〜70容積パーセント含む繊
   維強化金属複合材料において、該マトリツクスに
   ビスマス、カドミウム、アンチモン、インジウ
   ム、バリウム、ストロンチウムおよびラジウムか
   らなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素
   を0.0005重量パーセント以上0.05重量パーセント
   より少なく含むことを特徴とする繊維強化金属複
   合材料。