JPH0483811A - 多孔質複合材料の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、多孔質複合材料の製造方法、詳しくは人工生
体材料、触媒材料、濾過材料、吸着材料、熱絶縁材料等
に利用される材料であって、その組成や孔（空孔）の分
布が用途に応じて制御されている多孔質複合材料の製造
方法に関する。

（従来の技術） 従来、多孔質材料の製造方法としては、■粉末または繊
維の成形体を焼結する焼結法、■ガラスにおける分相現
象を利用した方法、■エンプラ等で用いられる発泡剤を
混合して発泡により多孔質をつくるストラクチュラル・
フオーム法、■プラズマ溶射法など種々の方法が用いら
れている。

この中で、複合材料の製造に適用できる方法は■の粉末
焼結法、繊維焼結法、および■のプラズマ溶射法である
。

粉末焼結法とは、適当な大きさの粉末（粒子）を成形、
焼結して多孔質体とする方法で、製造法が簡単で原料も
比較的安価なことから広く用いられている、原材料とし
ては主に黄銅系粉末や鉄系粉末が使用されている。用途
としては、フィルターや防音材、空隙部に潤滑油を含浸
させた含油軸受けなどがあり、空孔率は最大で５０％程
度である。

繊維焼結法とは、金属粉末の多孔質体の製造方法と同様
に金属繊維を成形、焼結して多孔質体とする方法である
。原料繊維は、用途に応し長繊維、短繊維が使用される
。短繊維を利用する場合は通常の粉末成形と同様に金型
による成形が行われるが、長繊維の場合は特殊な織機で
布状にした原料を焼結して多孔質体としている。繊維焼
結体の場合、空孔率を９８％までとれるところに特長が
ある。

プラズマ溶射法では、プラズマジェット中に搬入された
粉末が溶融、または半溶融状態で基板に衝突し、偏平変
形して層状に付着する。この時、付着粒子間に生成する
空隙により多孔質体となることを利用する。

（発明が解決しようとする課題） 上記のように、単純な多孔質材料の製造は従来より行わ
れているが、高機能化に対応した微細構造を有し、かつ
、材料中の空孔分布が、例えば材料の外側と内側とで異
なるなど、用途に応して構造が制御された多孔質複合材
料（空孔制御複合材料）の製造方法は未だ確立されてい
ない。

例えば、前記■の粉末および繊維の成形体を焼結する焼
結法では、単一の材料に対しては金型等に充填する粉末
の粒径、成形圧力および焼結温度により空孔の比率をあ
る程度制御することはできるが、材料内の空孔分布を制
御している例はみられず、ましてや、複合材料に対して
空孔分布を制御卸することはできない。

また、前記■のプラズマ溶射法についても同様で原理的
にみても複雑な空孔分布の制御は困難である。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、用途
に応じて空孔分布の制御、ならびに組成制御が可能な複
合材料の製造方法を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明者等は粉末焼結法
を基本として種々検討を重ね、本発明を完成した。すな
わち、本発明の要旨は下記１）〜ｉｖ）の多孔質材料の
製造方法にある。

ｉ）超塑性特性を有する異種微粉末を湿式混練してペー
スト状組成物とし、これを基板上に積層し焼成した後、
超塑性加工により緻密化することを特徴とする多孔質複
合材料の製造方法。

ｉｉ）ペースト状組成物を構成する異種微粉末の粒径ま
たは／および配合比を積層方向に段階的に変化させるこ
とを特徴とする前記ｉ）に記載の多孔質複合材料の製造
方法。

市）超塑性を有する異種微粉末の組合わせとして、水酸
アパタイト粉末とＴｉ合金粉末を用いることを特徴とす
る前記ｉ）またはｉｉ）に記載の多孔質複合材料の製造
方法。

ｉｖ）超塑性を有する異種微粉末の組合わせとして、Ｚ
ｒ系セラミック粉末とＮｉ基合金粉末を用いることを特
徴とする前記ｉ）またはｉｉ）に記載の多孔質複合材料
の製造方法。

（作用） 本発明方法は、超塑性特性を有する粉末材料からなるペ
ースト状組成物を焼結した段階で予め空孔を導入してお
き、その後、圧縮荷重を加えて焼結体を緻密化し、空孔
率を低下させる方向に制御する方式である。

超塑性特性を有する粉末材料を用いるのは、材料内の空
孔制御に必要なためである。すなわち、通常の焼結体で
は変形抵抗が大きく、圧縮加重を加えても余り緻密化し
ない。硬質の材料では特にその傾向が強く、焼結した段
階で材料内に導入されている空孔の比率は変わらない。

しかし、超塑性材料を用いることにより焼結体の変形抵
抗は所定の温度で極めて小さくなるので、圧縮加重を加
えて焼結体を圧縮する（超塑性加工を行う）ことにより
焼結体を緻密化し、空孔率を低下させることができる。

湿式混練するのは異種の微粒粉末を均一に混合し、組成
や空孔率の正確な制御を可能にするためで、さらに、液
状バインダーや分散剤を併用する。

なお、この場合、焼結後の空孔率がおおよその目ｉＩ値
になるように、予め初期粒子径、バインダー分散剤の添
加量を調整しておく。

湿式混練したペースト状の組成物を基板上に積層するの
は積層方向に組成や空孔分布を制御するためで、目的に
応じて数μＩ〜数十μ鋼の厚さで積層し、焼結、超塑性
加工を行って空孔率を制御する。必要に応じてこのよう
な積層、焼結、超塑性加工を繰り返し、材料全体として
所期の組成や空孔分布を有するようにすることができる
。

ペースト状組成物を構成する異種微粉末の粒子径または
／および配合比を複層構造物の厚み方向に段階的に変化
させることにより、空孔径や空孔分布、あるいは組成を
厚み方向に変化させ、複層構造物に傾斜機能的な特性を
付与することができる。

積層方法としては、基板上にペースト状組成物をノズル
から噴射するノズル方式、あるいはペースト状組成物を
スクリーンを通して基板上に浸出させるスクリーン印刷
方式が好適で、微細構造制御に必要な極めて薄く均一な
積層を高精度で行うことができる。

超塑性を有する異種微粉末の組合わせとして水酸アパタ
イト粉末とＴｉ合金粉末を用い、上記の方法を通用して
製造した多孔質複合材料は、人工骨材として好適である
。すなわち、人工骨材としては生体適合性と強度が要求
されるが、Ｔｉ合金を強度材とし、その上に生体適合材
である水酸アパタイトの層を、内層はＴｉ合金からの金
属イオンの溶出を抑制する緻密な層（水酸アパタイトと
Ｔｉ合金の傾斜組成）とし、外層は多孔質の水酸アパタ
イト層として、形成させることにより人工骨材として必
要な特性をもたせることができる。

また、Ｚｒ系セラミック粉末とＮｉ基合金粉末を用い、
上記の方法を適用して製造した多孔質複合材料は、耐熱
材として優れた特性を有している。この材料は、例えば
後述する実施例に示すように、表面を耐熱性の高いジル
コニアとし基材をニッケル基合金とした傾斜組成を有す
る材料であって、材料内の空孔分布が制御されており、
その空孔を通して冷却用のガスを通過させることにより
材料を冷却することができる。

（実施例１） 粒径２μ■以下の水酸アパタイト粉末と粒径１μｍ以下
のＴｉ合金（Ｔｉ　　６Ａｆ！　　４Ｖ）粉末を原料と
して用い、本発明方法を適用して人工骨材用の複合材料
を作製した。

第１図（ａ）〜（ｄ）に概略の製造工程を示す。

第１図において、まず、Ｔｉ合金からなる高強度材を基
材とする。基材としては、鋳造材、鍛造材、粉末焼結材
などいずれでも使用可能であるが、鍛造材が好適で、本
実施例でも鍛造材を使用した（以下、Ｔｉ合金基材１と
いう）。

次いで、水酸アパタイト粉末と前記のチタン合金粉末と
を所定の配合比で混合し、ペースト化剤としてエチルセ
ルロースとテルピネオールとの混合液（エチルセルロー
スを４％含有）を３％添加し、温式混練により均一なペ
ースト状組成物とし、この組成物をノズル方式によりＴ
ｉ合金基材１の表面に１０層積層した。１回の積層厚み
は３０μ鴎で、各層は組成が少しずつ異なり、傾斜組成
積層２をなしている（Ｑ））図）。

この傾斜組成積層２を９５０”Ｃで焼成し、次いで、１
０００°Ｃでプレスにより超塑性加工を行い、傾斜組成
積層２を傾斜組成緻密層３とした（（Ｃ）図）。

次に、水酸アパタイト粉末のペーストをノズル方式によ
り５層積層し、９５０’Ｃで焼成し、傾斜組成緻密層３
の上にポーラス水酸アパタイト層４を形成させた（（ｄ
）図）、この場合の水酸アパタイト層４内の空孔分布は
均一である。

上記のようにして得られた複合材料について、生体親和
性および力学的特性の評価試験を行った。

試験結果を第１表に示す、同表の結果から明らかなよう
に、本発明方法を適用して得られた複合材料は人工骨材
として良好な特性を有している。

（以下、余白） 第 表 （実施例２） 粒径１〜２μ−のジルコニア粉末と粒径５〜３０μｓの
Ｎｉ基合金（Ｎｉ　−１６Ｍｏ　−１５Ｃｒ　−４Ｗ　
−５Ｆｅ）粉末を原料として用い、本発明方法を適用し
て耐熱性複合材料を作製した。

第２図（ａ）〜（ｆ）に概略の製造工程を示す。

第２図において、まず、鉄板５（ダミーとして使用）の
上にジルコニア粉末のペーストを１層の厚みを５０μ−
として４層積層しく（ａ）図）、このジルコニア層６を
焼結した後超塑性加工を行って、空孔率を１８〜２０ｖ
ｏ　ｌ　０％に制御したポーラスジルコニア層７を形成
した（■）図）、なお、鉄板５は最終工程で除去し、材
料使用時にはこのポーラスジルコニア層７が高温に曝さ
れる表層になる。

次いで、ジルコニア粉末とＮｉ基合金粉末とを所定の配
合比で混合し、ペースト化剤としてエチルセルロースと
テルピネオールとの混合液（エチルセルロースを４％含
有）を２０％添加し、温式混練により均一なペーストと
し、ポーラスジルコニア層７の表面に１０層積層した。

１層の厚みは５０μ■で、各層の組成は少しずつ異なる
。このペースト層を焼結した後超塑性加工を行って、空
孔率を２５〜３５ｖｏ　ｉ！　、％に制御した傾斜組成
層８とした（（Ｃ）図）。

表層（ポーラスジルコニア層７側）に行くに従い空孔率
を小さくするのは、冷却に使用するガスを表層面から均
一に噴出させ、材料を均一に冷却するためである。

次に、傾斜組成層８の表面にＮｉ基合金粉末のペースト
を積層し、焼結してＮｉ基合金粉末層９を形成しく（ｄ
）図）、更にＮｉ基合金粉末層９の表面にＮｉ基合金の
多孔板を接合してＮｉ基合金多孔層１０とした（（ｅ）
図）後、鉄板５を酸洗により除去した（（ｆ）図）。

上記のようにして得られた傾斜組成を有する多孔質複合
材料の冷却性能について、評価試験を行った。比較材と
しては、上記と同様な傾斜組成を有するが空孔の存在し
ない状態の材料を用いた。

第３図は試験方法の説明図で、（ａ）図に示すように、
前記の複合材料１１の片面、すなわち耐熱性の高いジル
コニア層７側をバーナで加熱しく１２はバーナ炎）、他
面、すなわちＮｉ基基合金多孔層ｌ側側ガス冷却する０
本発明方法により作製した複合材料の場合（０））図）
は、冷却ガスの一部（Ｇ１）が材料１１内に形成された
空孔を通過してＮｉ基合金多孔層１０からジルコニア層
７へ流れ、材料１１を冷却する。

一方、比較材の場合（（Ｃ）図）は、空孔が存在しない
ので冷却ガスはＮｉ基合金多孔層１０に接して流れるだ
けである。なお、Ｔ３、Ｔ、およびＴ３は温度測定点で
ある。

試験条件を第２表に、また、試験結果を第３表に示す。

第３表の結果から、本発明方法により作製した材料（本
発明例）は、材料ｌｌ内の各部（Ｔ、、Ｔ、およびＴ、
）における温度が比較材（比較例）に比べてかなり低く
、熱亀裂の発生も認められず、良好な冷却機能を有して
いることがわかる。

第２表 第３表 （発明の効果） 多孔質複合材料の製造に際し、本発明方法を適用するこ
とにより、用途に応して厚み方向に空孔分布や組成を制
御することができる。

例えば、本発明方法により製造した水酸アパタイトとＴ
ｉ合金の複合材料は人工骨材として優れた機能を有して
おり、その他、耐熱材料、触媒材料、濾過材料などにも
本発明方法の適用は可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法による人工骨材用複合材料の製造
工程を示す図である。 第２図は、本発明方法による耐熱性複合材料の製造工程
を示す図である。 第３図は、本発明方法により作製した耐熱性複合材料の
冷却性能試験方法の説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）超塑性特性を有する異種微粉末を湿式混練してペ
   ースト状組成物とし、これを基板上に積層し焼成した後
   、超塑性加工により緻密化することを特徴とする多孔質
   複合材料の製造方法。 （２）ペースト状組成物を構成する異種微粉末の粒径ま
   たは／および配合比を積層方向に段階的に変化させるこ
   とを特徴とする請求項（１）に記載の多孔質複合材料の
   製造方法。（３）超塑性を有する異種微粉末の組合わせ
   として、水酸アパタイト粉末とＴｉ合金粉末を用いるこ
   とを特徴とする請求項（１）または（２）に記載の多孔
   質複合材料の製造方法。 （４）超塑性を有する異種微粉末の組合わせとして、Ｚ
   ｒ系セラミック粉末とＮｉ基合金粉末を用いることを特
   徴とする請求項（１）または（２）に記載の多孔質複合
   材料の製造方法。