JPH0257659A - ３元金属マトリックス複合物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は不溶性セラミックと半金属で強化された金属
基質から成る３元金属基質複合物に関する。

この発明の３元金属基質複合物は類似の材料を使用する
２元複合物よりも低くかつ一定した熱膨張係数をもち、
その一方で、密度は低くかつ成形性能が良好である。

複合材料は周知であり、普通に使用されている。

複合物は元のいずれの成分の特性とも異なる特性を有す
る材料を創るために２種あるいはそれ以上の成分が結合
されている人工の材料として定義できる０周知の複合物
の１形態は２元金属複合物で、それは１金属基質と基質
中に分散され、−緒に結合されている１強化材料とから
成っている。強化は通常は繊維かウィスカーかあるいは
粒子の形で行なわれる。典型的な金属基質結合材料はア
ルミニウムコバルト、鉄、マグネシウム、チタンあるい
はこれらの材料の合金から成っている。典型的な強化材
料は炭化けい素、炭化ほう素、酸化アルミニウム、炭化
タングステン、および他のほう化物、炭化物、酸化物、
窒化物、けい化物、アルミ化物、セレン化物、硫化物お
よびゲルマニウム化物のようなセラミックスから成る。

これらの２元金属基質複合物は従来の合金よりも強く、
剛性であり特に耐窄耗性である。

過去数年間、２元金属基質複合物の開発に巾広い研究が
貢献されてきた。その結果、金属基質中のセラミック強
化は種々の金属や合金の特性や機能的特質を改善するこ
とが良く知られている。セラミック繊維や、ウィスカー
やあるいは粒子は複合物の比強度、比係数および温度有
用性能を拡大するために基質金属の強化に使用される。

比強度の改善はセラミック強化の採用により密度の減小
および絶対強度や係数の増大の両方により達成される。

その結果典型的に複合物は有効な重量減小が行なわれて
、臨界強度あるいは剛性に適合できる。しかし、これら
の周知の２元金属基質複合物は、特に電子工業における
、多くの応用に対する十分に低い熱膨張係数および／あ
るいは良好な熱伝導率を持っていない。

現在、電子用基体や、密封微小回路パッケージや、チッ
プの下地や、ヒートシンクおよびヒートパイプに使用さ
れる重い材料と闇き換えるために熱膨張係数が低く、密
度が小さくかつ熱伝導率の良好である材料が要求されて
いる。このような材料の他の応用は低膨張、軽量、およ
び寸法安定性が重要である光学的基体（例えば、ミラー
）を包含している。

高信顆性の電子工業においては、表面にセラミック素子
をマウントしたエポキシ−ガラス製の回路ボードを束縛
するために金属コアがしばしば採用される。この金属コ
アは一般的には銅グラッドーインパール、モリブデンあ
るいは銅−テングステン複合物から成る。軽量であるこ
とが決定的に重要である航空や宇宙への応用に対して、
これらの材料の全重量のため、これらの材料は好ましく
ない０回路ボードの金属コアは印刷回路ボードへセラミ
ック素子を結合しているろう接接合部のストレスを減じ
るために低い熱膨張係数であることが要求される。低熱
膨張係数でないならば、ろう接接合部はセラミック素子
とエポキシ−ガラス回路ボードとの膨張の差異によりこ
われる。また、回路ボードの金属コアは回路から熱を除
去するのに役立つ１例えば、かくて、インパールが大変
貧弱な熱伝導体であるので、コストを増加し、有効性を
制限する銅でクラッドしなければならない。

さらに、インパール、タングステンおよびモリブデンは
重い材料である。モリブデンの密度は１０、２ｇ／ｃｃ
でインパールは８．４／ｃｃである。ｐ！！、伝導率は
銅−クラッドインパールで約１５０ｗ／ｎｋでモリブデ
ンで１６０ｗ／ｌｋである。

この発明は、金属結合基質材料と、本質的に不溶性セラ
ミックからなる強化材料と半金属から成る３元金属基質
複合物である。半金属は元素周期率表のＩＩＩＡ族から
ＶＩＡ族の元素である。これらの元素は非金属性と結合
して金属特性を幾分か示す。

この発明の３元金属基質複合物は類似の材料を用いる知
られている２元複合物の熱膨張係数よりも低く、かづ−
貫している。熱膨張係数は特殊な適応要求に適合するよ
うに調整できる。また、この発明は密度が低く、熱伝導
率が良好で、寸法安定性が良くかつ成形性能がある。

有利には、この発明の金属基質は複合物の４０ないし６
０容量％で最も好ましい範囲は４５ないし５５容量パー
セントである。この発明の好ましい態様において、不溶
性セラミックは複合物の１０−５０容量パーセントで最
も好ましい範囲は３０−４０容量パーセントである。好
ましい半金属は複合物の１０−４０容量パーセントで最
も好ましい範囲は１０−２５容量パーセントである。

この発明の１態様において、不溶性セラミックと半金属
は同じ元素を含有する。この発明の好ましい１態様にお
いて、３元金属基質複合物はアルミニウム合金基質と炭
化けい素の強化材料とけい素から成っている。

実施例 この発明は不溶性セラミックと半金属で強化された金属
基質に向けられている。結果として得られた金属基質複
合物はアルミニウム酸化物のようなある種のセラミック
材料や低熱膨張係数を有する別の材料の熱膨張係数に合
わせるために調整される。３元複合物は軽量で約２．７
〜３．０（１／ｃｃの密度を有する。かくして、銅−ク
ラッドインパール、銅−タングステン、あるいはモリブ
デンのような低熱膨張係数の他の知られた合金よりも重
さが軽いことに意義がある。この発明はアルミニウムあ
るいはアルミニウム合金の熱膨張係数よりも更に低い範
囲を有する。この発明の好まして態様の熱伝導率は約１
２０ｖ／　ｎｋである。好ましくは、この発明の金属基
質は通常はアルミニウムあるいはアルミニウム合金であ
る。マグネシウムおよびマグネシウム合金あるいはチタ
ンおよびチタン合金がまた金属基質として使用できる。

低い熱膨張係数および高体積弾性率を有する不溶性セラ
ミックはどのようなものもこの発明の３元金属基質複合
物に使用できる。ふされしい不溶性セラミックの典型例
は炭化けい素、窒化けい素、窒化アルミニウム、けい化
ほう素、および炭化ほう素である。

好ましい半金属はけい素、ほう素、およびゲルマニウム
である。不溶性セラミックと半金属が同じ元素を含有し
ていることがある種の適用には有利である０例えば、も
し炭化けい素が不溶性セラミックとして選ばれるならば
、けい素が半金属として選ばれる。一方、もし炭化ほう
素が不溶性セラミックとして選ばれるならば、ほう素が
半金属として選ばれる。

２元金属基質複合物と比較して、この発明の３元組成物
は強化材料を担持する一定容量に対する熱膨張係数が低
く、更に一貫している。更に、この発明の３元金属基質
は等量のけい素あるいは不溶性セラミックのみでアルミ
ニウムあるいはアルミニウム合金を強化することにより
得られるものよりも成形性が良いか同等である。

この発明の３元組成物の好ましい範囲は強化材料として
平衡する半金属と不溶性セラミックと組合わせた４０〜
６０容量パーセントの金属基質である。好ましくは強化
材料が１０−５０容量パー−セントは不溶性セラミック
でなければならず、１０〜４０容量パーセントが半金属
でなければならない、最も好ましい組成と範囲は４５〜
５５容量パーセントアルミニウムあるいはアルミニウム
合金基質で、−力強化材料は３０〜４０容量パーセント
の不溶性セラミックおよび１０〜２５容量パーセントの
半金属を有している。不溶性セラミツクおよび半金属の
強化比率を変化させることによって熱膨張係数は特別の
適用の要求に合致するように調整され得る。アルミニウ
ム基質および炭化けい素とけい素の強化材を用いた本発
明の好ましい範囲の２種類の３元複合物の室温近傍の熱
膨張係数を表１に示す。

表　　　１ （ａｐｌ　／ｃ） １　　　５４．２　　　　３０．１　　　１５．７　　
　　　　８．９２°　　　４７．０　　　　３５．０　
　　１８．０　　　　　　８．０表１の材料１および２
の熱膨張係数は第１図および第２図で、個別に、アルミ
ニウムー炭化けい素およびアルミニウムーけい素の２元
複合物の熱膨張係数の計測値と比較される。２元複合物
の熱膨張係数の範囲の測定値はこれらの図において斜線
を入れて示されている。材料１の熱膨張係数は第１図お
よび第２図で点１で示される；材料２は点２で示される
。第１図および第２図の両者共に与えられた担持容量に
おいて、この発明の３元金属基質複合物の熱膨張係数は
ＡＮ　／ｓｉｃおよびＡｊｌ　／ｓｉの２元複合物の熱
膨張係数よりも測定値が低い。

この発明の３元金属基質複合物の成分としてけい素およ
び炭化けい素の両者を採用することにより、けい素ある
いは炭化けい素単独で用いる以上の利点が得られる。け
い素および炭化けい素含有アルミニウムは炭化けい素の
みを含有のアルミニウムが有するより低い融点を有する
。この−層低い融点のなめに、アルミニウムー炭化けい
素の凝固におけるよりも低い温度が新規材料の凝固にお
いて使用される。より低い凝固温度があるアルミニウム
合金のより微細な結晶粒構造の生成を許す。

より微細な結晶粒構造が靭性や強度などの特性を改善す
る。この発明の３元金属基質複合物の凝固温度がたとえ
より低くても、凝固に必要な圧力は増加しない。したが
って、この発明の３元金属基質複合物材料の製造は同様
に炭化けい素を同様に担持したアルミニウムあるいはア
ルミニウム合金の製造よりも困難ではない、（この発明
の範囲における）けい素は融点を低めるために使用され
ると同時に、またけい素は炭化けい素よりも低い熱膨張
係数と一層小さな密度を持っているので、したがって３
元複合物の熱膨張係数と密度をけい素は低下する。炭化
けい素はアルミニウムに関するけい素金属の脱化影響を
減少する。このために、けい素のみを等量担持している
アルミニウムよりも３元複合物は成形性と機械加工性の
より良好で脆性がもっと小さい。

この発明のアルミニウムーけい素−炭化けい素複合物は
組成範囲内に粉末混合物を調整し、完全密度のビレット
に粉末を真空ホットプレスして得られる。また、この材
料は加熱等圧プレス（旧Ｐ）、冷間ブレス後の焼結、鋳
造、鍛造、射出成型（インジェクションモールディング
）およびその他の標準的な冶金的技術によって製造し得
る。

この発明の好ましくは態様を述べてきたが、発明は必ず
しもそれに限定されない０種々の変更が特許請求の範囲
に記載された発明の範囲から離れることな〈実施できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の２種の３元金属基質複合物および
アルミニウム炭化けい素の２元踵合物の熱膨張係数対強
化成分担持容量の対比を示すグラフである。 第２図は、この発明の２種の３元金属基質複合物および
アメルミニウムとけい素の２元素複合物の熱膨張係数対
強化成分担持容量の対比を示すグラフである。 代　埋入　　弁理士　　湯　浅　恭　ジ、゛。 （外４″′−鴛″′ザ 図面の浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、／ ＦＩＧ、　２ 手 続 補 正 書 １゜ 事件の表示 平成１年特許願第１４８１８７号 ２、発明の名称 ３元金域マトリックス複合物 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所 名　称　　アドヴ７ンスド・コンポジット・マテリアル
ズ・コーポレーション ４、代理人 住　所　　東京都千代田区大手町二丁目２番１号５、補
正の対象 適正な図面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属結合基質材料と、本質的に不溶性セラミックと
   半金属からなる強化材料とからなることを特徴とする３
   元金属基質複合材料。 ２、金属結合基質材料がアルミニウムおよびアルミニウ
   ム合金、マグネシウムおよびマグネシウム合金、並びに
   チタンおよびチタン合金からなる群から選択された材料
   であることを特徴とする請求項１に記載の３元金属基質
   複合材料。 ３、不溶性セラミックが炭化けい素、窒化けい素、窒化
   アルミニウム、けい化ほう素および炭化ほう素からなる
   群から選択された材料であることを特徴とする請求項１
   に記載の３元金属基質複合材料。 ４、半金属がけい素、ほう素およびゲルマニウムからな
   る群から選択された材料であることを特徴とする請求項
   １に記載の３元金属基質複合材料。 ５、不溶性セラミックおよび半金属が同一の元素を含有
   していることを特徴とする請求項１に記載の３元金属基
   質複合物。 ６、該元素がけい素であることを特徴とする請求項５に
   記載の３元金属基質複合物。 ７、該元素がほう素であることを特徴とする請求項５に
   記載の３元金属基質複合物。 ８、該金属結合基質材料が複合物の４０〜６０容量パー
   セントであり、該不溶性セラミックが複合物の１０〜５
   ０容量パーセントであり、かつ該半金属が複合物の１０
   〜４０容量パーセントであることを特徴とする請求項５
   に記載の３元金属基質複合物。 ９、該金属結合基質材料が複合物の４５〜５５容量パー
   セントであり、該不溶性セラミックが複合物の３０〜４
   ０容量パーセントであり、かつ該半金属が複合物の１０
   〜２５容量パーセントであることを特徴とする請求項５
   に記載の３元金属基質複合物。 １０、アルミニウムあるいはアルミニウム合金基質と、
   本質的に炭化けい素とけい素からなる強化材料とから成
   ることを特徴とする３元金属基質複合物。 １１、該アルミニウムあるいはアルミニウム合金基質が
   複合物の４０〜６０容量パーセントであり、該炭化けい
   素が複合物の１０〜５０容量パーセントであり、かつ該
   けい素が複合物の１０〜４０容量パーセントであること
   を特徴とする請求項１０に記載の３元金属基質複合物。 １２、該アルミニウムあるいはアルミニウム合金基質が
   複合物の４５〜５５容量パーセントであり、該炭化けい
   素が複合物の３０〜４０容量パーセントであり、かつ該
   けい素が複合物の１０〜２５容量パーセントであること
   を特徴とする請求項１１に記載の３元金属基質複合物。