JPH073358A

JPH073358A - 繊維強化金属複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH073358A
Application number: JP277393A
Authority: JP
Inventors: Akira Kojima; 昭小島; Seitaro Takahashi; 清太郎高橋
Original assignee: Sanso KK
Current assignee: Sanso KK
Priority date: 1993-01-11
Filing date: 1993-01-11
Publication date: 1995-01-06

Abstract

(57)【要約】【構成】強化材としてフライアッシュファイバー、特
に無電解メッキ法、化学蒸着法、物理蒸着法、電気泳動
電着法又はプラズマスプレー法で表面処理されたフライ
アッシュファイバーを含有する繊維強化金属複合材料及
び加熱加圧成形方法による、その好適な製造方法。【効果】電気的特性、耐熱性及び表面硬度の優れた繊
維強化金属複合材料が得られる。更に、表面処理したフ
イアッシュファイバーを用いることにより、機械的強度
が一段と向上する。特に金属としてアルミニウム及びそ
の合金を用いる場合に好適に適用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新規な繊維強化金属複
合材料及びその製造方法、更に詳しくは、未利用資源で
ある石炭灰を高温で溶融紡糸して得られるフライアッシ
ュファイバーを強化材として用いた繊維強化金属複合材
料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】母材（マトリックス）が金属で、各種繊
維を強化材としたものに、繊維強化金属複合材料（ＦＲ
Ｍ）がある。ＦＲＭは、１９５０年代後半から少しずつ
研究が行われているが、繊維強化プラスチック材料（Ｆ
ＲＰ）では実現が困難である高温域（２００℃以上）用
構造材料に対する強い要請もあって、近年急速に研究が
進められている。

【０００３】ＦＲＭの特色は、繊維と直角方向の強さ及
びヤング率が大きい、せん断強度及び剛性が大きく、圧
縮せん断力などに対して挫屈をおこし難い、使用できる
温度範囲が広い、接合や２次加工が比較的容易であり、
金属構造物との適合性が高く、熱膨張係数はあまり違わ
ない、疲労やクリープなどに対する抵抗が大きいなどで
ある。さらに、ＦＲＭは、耐摩耗性、電気的、磁気的、
化学的などの諸特性に優れている。

【０００４】ＦＲＭは、アルミニウム、マグネシウム、
チタニウム系などをマトリックスとし、主に軽量化を主
目的とし、プラスチック材料では耐えられない温度域で
の使用を目指しているものや、耐熱合金をマトリックス
として、軽量化よりもむしろ金属材料に不足している高
温域での使用を目的とするものがある。量的には、前者
のアルミニウムをマトリックスとするものがはるかに多
い。ＦＲＭは、宇宙航空材料、飛行機やヘリコプターな
どの航空機材料、自動車材料、医療用材料、スポーツ用
品、シャトルなどの繊維産業用材料としての用途が期待
され、それぞれの要求に応じて、軽量化、強度、スティ
フネスなどの点から開発が進められている。ＦＲＭに要
求される特性は、機械的強度、硬度、軽量性、熱伝導
性、疲労強度、耐食性、耐熱性、耐久性などである。

【０００５】複合材料のこれらの機能は、各素材を複合
すれば発現されるものではなく、各素材の表面構造をナ
ノオーダーで制御し、要求される機能に適合した表面構
造を積極的に構築することによって発揮されることが多
い。例えば、繊維強化プラスチック材料（ＦＲＰ）の強
化材には、主としてガラス繊維が用いられるが、ガラス
繊維とマトリックス樹脂との接着強度あるいは化学結合
力を向上させるために、各種のシランカップリング処理
による表面改質が行われている。また、炭素繊維でも、
種々の方法による表面酸化処理が行われている。

【０００６】繊維強化金属複合材料（ＦＲＭ）でも強化
繊維とマトリックス金属間の接着性は複合材の強度を支
配する重要な条件で、強化材の母材に対する「適合性」
と、強化材と母材との間の「濡れ性」によって決定され
る。これらの適合性や濡れ性が確保されることによって
強化材と母材との接着強度は強固になり、ＦＲＭの強度
が発揮されることになる。これらのことからＦＲＭの機
械的強度を向上させるために、強化材である繊維の表面
を処理し、マトリックスとの親和性が高いように、表面
を改質することが知られている。

【０００７】ＦＲＭ用の強化繊維としては、無機系ウィ
スカー、ボロン系繊維、炭素系繊維、炭化ケイ素系繊
維、アルミナ系繊維（アルミナシリケート繊維、セラミ
ックス繊維、シリカ繊維）、ジルコニア繊維、チラノ繊
維、タングステン線、モリブデン線などが用いられ、検
討されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように種々の繊維
がＦＲＭ用の強化繊維として現在検討されているが、強
化繊維を表面処理しても、強化材の母材に対する「適合
性」や、強化材と母材との間の「濡れ性」が充分でな
く、得られるＦＲＭの機械的強度が充分に満足できるも
のではなかったり、また、耐熱性が不十分であったり、
高価格であったりして、それぞれ問題が多いことが判っ
ている。例えば、ボロン繊維は高価格であり、マトリッ
クス金属と反応するため表面処理が必須である。炭素系
繊維は高価格であり、耐酸化性が不足しており、マトリ
ックス金属と反応してしまう。炭化ケイ素系繊維は現在
有用なＦＲＭ用繊維として研究が展開中であるが高価格
である。このように、各種ＦＲＭ用強化繊維は種々の問
題を有しており、特にアルミニウムをマトリックスとす
る場合には得られる複合材料の表面硬度が弱く、傷つき
易いという問題がある。このように、それぞれ公知の繊
維強化金属複合材料（ＦＲＭ）は実用に際して種々の課
題を有しており、新しいＦＲＭ用強化繊維の開発が強く
望まれている。

【０００９】従って、本発明の第一の目的は、低廉で、
且つ電気的特性、耐熱性及び表面硬度などの特性の優れ
た、新規な繊維強化金属複合材料（ＦＲＭ）を提供する
ことを目的とする。本発明の第二の目的は、上記目的に
加えて更に機械的強度の優れた新規ＦＲＭを提供するこ
とを目的とする。本発明の第三の目的は、上記目的に加
えて、特に汎用性に優れた新規ＦＲＭを提供することを
目的とする。また本発明は、上記優れたＦＲＭに好適な
製造方法を提供することを更なる目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の上記第一の目的
は、請求項１記載のように、強化材としてフライアッシ
ュファイバーを含有することを特徴とする繊維強化金属
複合材料によって解決されることが判った。

【００１１】本発明で用いられるフライアッシュファイ
バ−（ＦＡファイバー）は、未利用資源である石炭灰を
高温で溶融紡糸したものである。石炭灰は、石炭を発電
用に燃焼した際に生じるものである。発電用石炭の使用
量は、１９８９年度には２４５０万トンで、そこから副
生する石炭灰の量は約４００万トンにも達している。そ
のうち有効利用されているのは１９０万トン（４９％）
に過ぎず、残り５１％は陸上埋立材や海面埋立材として
処理されている。その他に、一般産業からも約１５０万
トンの石炭灰が発生している。石炭灰の発生量は、今後
も増加することが予想されるので、石炭灰の有効利用技
術の開発は強く望まれているのが実情である。

【００１２】フライアッシュファイバーの特色は、耐熱
性および機械的特性の優れた点である。熱分析から求め
たフライアッシュファイバーの融解温度は、１１５０℃
前後、結晶化温度は、１０５０℃程度である。従って、
フライアッシュファイバーは、結晶化温度（１０５０
℃）までは使用可能である。

【００１３】フライアッシュファイバーの直径は、５〜
２０μｍ程度である。フライアッシュファイバーの機械
的特性は、繊維径によって異なる。例えば、直径が６μ
ｍの場合には、引張り強度４１２０MPa、引張り弾性率
２００GPaである。これらの特性を、他の無機質繊維、
例えば、アルミナ繊維（強度１４００MPa、弾性率３８
５GPa）、ガラス繊維（強度２４００MPa、弾性率７０GP
a）、炭素繊維（強度３０００MPa、弾性率２２０GPa）
などと比べると、フライアッシュファイバーの方が優れ
た特性を有していることが判る。

【００１４】また、繊維径が１５μｍのフライアッシュ
ファイバーでは、引張り強度２９０MPa、引張り弾性率
１７．５GPaであり、繊維径によって機械的特性は著し
く影響を受ける。しかし、ロックウールや一般的なガラ
スウールとは、耐熱性の点でも、機械的強度の点でも、
フライアッシュファイバーの方が遥かに優れている。こ
のように、フライアッシュファイバーは優れた耐熱性と
機械的強度を有していることから、ＦＲＭの強化材とし
て使用可能である。

【００１５】また、フライアッシュファイバーの化学組
成及び化学構造が金属マトリックスとの複合化に重要な
要素である。本発明に好適なフライアッシュファイバー
の化学組成は、Ａｌ₂Ｏ₃が１５〜２５％、ＳｉＯ₂が３
５〜５０％、ＣａＯが１５〜３５％、Ｆｅ₂Ｏ₃が３〜１
２％、ＭｇＯが２〜５％である。ここで、フライアッシ
ュファイバーを構成する各成分の組成は、Ｘ線マイクロ
アナライザーにより元素分析を行い得られた結果に基づ
き、それぞれの安定した形態である酸化物の形に換算し
て表現したものである。従って、該繊維中に必ずしも上
記酸化物の形で存在するわけではない。また、Ｘ線回折
分析から該フライアッシュファイバーの構造はアモルフ
ァスであった。

【００１６】しかしながら、該繊維を実際に金属マトリ
ックス用の強化繊維に適用してみると、フライアッシュ
ファイバーと金属との濡れ性は低く、両者を混合して単
に金属の融点以上にまで加熱しただけでは容易に複合化
できないことが判明した。適合性の低い両者をいかにし
て接合し、複合化するかが最大の問題点であり、本発明
者は種々検討の結果、以下の如くフライアッシュファイ
バーと金属マトリックスとの複合化に成功したものであ
る。

【００１７】まず、第１に、成形方法として、加熱加圧
（ホットプレス）法、加圧化含浸法、熱間静水圧法等の
特定の方法で成形することでフライアッシュファイバー
と金属とを複合化でき、本発明に従うフライアッシュフ
ァイバーで強化された金属複合材料を製造できることが
判った。これらの方法は通常用いられる方法を本発明の
ＦＲＭに適宜応用すればよく、汎用性の点から、特に加
熱加圧法を適用することが好ましい。この方法により得
られたフライアッシュファイバー強化金属複合材料は、
フライアッシュファイバーの添加により、表面硬度が格
段に向上した。また、電気抵抗も増大し、フライアッシ
ュファイバーの添加により電気抵抗を調節することがで
きる。また優れた耐熱特性を有している。このように、
用途によっては充分に優れた特性を有する金属複合材料
であることが確認できた。

【００１８】しかしながら、いまだ引張り強度が不十分
であったことから、更に検討を進めたところ、第２の方
法として、フライアッシュファイバーの表面を、構成す
るマトリックス金属との適合性のよい表面構造に改質す
ることが必要であるとの見解に達した。即ち、請求項２
記載のように、強化材としてのフライアッシュファイバ
ーを、無電解メッキ法、化学蒸着法、物理蒸着法、電気
泳動電着法及びプラズマスプレー法のうちのいずれかの
方法により表面処理することにより、金属マトリックス
との親和性を高めることができ、これにより、得られる
繊維強化金属複合材料は、上記特性に加え、更に機械的
強度やタフネスを格段と向上できることが判った。

【００１９】本発明者は、フライアッシュファイバーの
表面改質技術を追及し、その表面を金属マトリクッスに
適したように改質し、それをマトリックス金属の強化材
として使用することにより、ＦＲＭの機能を著しく向上
させることができた。マトリックスと強化繊維間の接着
性は、強度的に優れたＦＲＭを製造するための重要な条
件であり、強化材の母材に対する「適合性」と、強化材
と母材との間の「濡れ性」によって決定される。これら
によって強化材と母材との間の接着強度が強固になり、
ＦＲＭの強度が発揮されることになる。

【００２０】フライアッシュファイバーの表面改質方法
や改質度合いは、マトリックスの種類によって異なる。
ＦＲＭでは金属との接着強度が夫々高められるように、
強化材であるフライアッシュファイバーの表面をナノオ
ーダーで改質することである。そのため、表面改質を行
う場合は、フライアッシュファイバーの化学組成および
化学構造が特に重要な要素になる。本発明では、上記の
フライアッシュファイバーの化学組成と化学構造を基礎
にして、種々の表面改質方法を検討した。

【００２１】繊維の表面改質方法として、電解メッキ、
無電解メッキ、化学蒸着法、物理蒸着法、電気泳動電着
法、プラズマスプレー法など種々の方法が知られてい
る。これらの方法のうち、本発明に従う金属マトリック
ス用の強化繊維として用いるフライアッシュファイバー
には、無電解メッキ法、化学蒸着法、物理蒸着法、電気
泳動電着法及びプラズマスプレー法のいずれかの方法で
表面処理することが好ましいことが判った。これらの表
面処理法は、従来用いられる方法を適宜フライアッシュ
ファイバーに適用することにより、容易に達成すること
ができる。

【００２２】無電解メッキ法は、外部電力を供給するこ
となく、還元剤を用いて溶液中の金属イオンをフライア
ッシュファイバー表面に金属として析出させる方法であ
る。良好な被覆状態を形成するためには、前処理として
化学腐食による親水化、清浄化、感受性化、活性化など
を行う。感受性化処理液及び活性化処理液は、該分野で
通常用いられるものを同様にして用いることができる。
代表的な組成を下記に示す。感受性化処理液（塩化第二スズ；１０ｇ、塩酸；４０c
c、純水；１０００cc）活性化処理液（塩化パラジウム；１ｇ、塩酸；１０cc、
純水；４０００cc）また、被覆できる金属は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐ
ｔ、Ｃｒ、合金類はＮｉ合金、Ｃｏ合金などである。

【００２３】化学蒸着法（ＣＶＤ法）は、被覆しようと
する元素を含む気化しやすい化合物を気体状態にして、
適当な反応性キャリアーガスと一緒に高温の反応炉中に
導き、フライアッシュファイバー上に反応析出させる方
法である。高純度、高密度の被覆層のできることが特徴
である。この場合、原料化合物の分解反応、酸化・還元
反応、置換反応など種々の化学反応を用いることが可能
であるが、一般には熱分解反応が多く用いられる。この
方法によって、酸化物、炭化物、ホウ化物、金属などを
フライアッシュファイバー上に析出させることができ
る。フライアッシュファイバーに被覆する物質の原料、
生成物および反応温度を表−１に示す。この方法は、被
膜の析出速度を変えることによって、膜の状態を平滑に
近い面からウィスカー状にまで調節することができた。

【００２４】

【表１】

【００２５】物理蒸着法（ＰＶＤ法）は、加熱蒸発させ
た金属をフライアッシュファイバー上に析出させて、被
覆する方法である。その際に、金属蒸気と共に酸素、窒
素あるいは炭化水素などのガスを送ることによって、金
属の酸化物、窒化物、炭化物などの化合物をフライアッ
シュファイバー表面上に析出させることができる。この
ＰＶＤ法には、真空蒸着法、スパッタリング法、イオン
プレーティング法などがある。これらのうちイオンプレ
ーティング法は、金属蒸気がイオン化されることによっ
て密着性のよい被膜を得ることができ、また、金属蒸気
に酸素、窒素、炭化水素などを導入すると、金属の酸化
物、窒化物、炭化物などの被膜をフライアッシュファイ
バー表面上に析出させることができる。イオンプレーテ
ィング法は、金属蒸気を得るための加熱方式によって蒸
発金属の種類やイオン化方式が異なる。加熱方式には、
直接通電加熱法、電子ビーム法、中空陰極放電法などが
ある。また、イオン化方式には、ＡＣ（ＤＣ）マトック
ス法、多陰極法、高周波励起法、電界蒸着法、活性化反
応蒸気法などがあり、本発明ではいずれの方式を用いて
も被覆可能である。

【００２６】物理蒸着法でフライアッシュファイバー表
面に形成される膜は、具体的には金属、難融性の金属化
合物（酸化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化チタン、窒
化クロム、窒化ケイ素、炭化チタン、炭化クロムなど）
などである。さらに、ＣＶＤの際にフライアッシュファ
イバーを１５０〜６００℃に加熱しておくと、良好な被
膜ができ、フライアッシュファイバーの表面改質ができ
る。物理蒸着法は、室温あるいはそれ以下でも被覆によ
る改質が可能であり、化学蒸着法と比較し、加熱による
フライアッシュファイバーの劣化が小さいのが特徴であ
る。

【００２７】無機質電気泳動電着法は、電気泳動を利用
して、電気メッキと同じように、フライアッシュファイ
バー表面に微粉体の電着を行うものである。この方法の
適用できる繊維は、導電性でなければならないので、ま
ず最初にフライアッシュファイバーに別の方法で金属被
覆を行い導電化する必要がある。導電化用の表面処理を
行っても、それ以上に多くの利点をもっている表面改質
方法である。この方法の特徴は、電着可能な微粉体は、
有機質、無機質いずれでもよく、単独でも混合物でも電
着可能であること、複雑な形状の物体上に均一な被膜が
可能で、しかもその厚さは正確に制御できること、厚い
被膜を形成できること、膜の析出速度が極めて大きいこ
と、及び単位電極当たりの析出量（クーロン効率）が大
きいので経済的であることなどである。

【００２８】無機質電気泳動電着法によりフライアッシ
ュファイバー表面に電着できる物質としては、高分子有
機化合物（ゴム、ポリスチレン、アクリルなどの粉
末）、金属（アルミニウム、チタン、タングステンなど
の粉末）、無機質（チタン酸バリウム、酸化ゲルマニウ
ム、酸化タングステン、酸化アルミニウム、二ケイ化モ
リブデンなどの粉末）などを挙げることができる。

【００２９】また、電気メッキ法と無機質電気泳動電着
法を組み合せ、金属マトリックス中に無機質微粉体を同
時被覆する複合電着被覆法を適用することもできる。更
に、フライアッシュファイバーへの付着物の密着性を高
めるために、電解液中への結合剤の添加や、高温におけ
る加熱や加圧を行うこともできる。

【００３０】プラズマスプレー法は、プラズマスプレー
ガン等を用いて、アルゴンガスなどの不活性ガスをプラ
ズマ状態にして金属粉末を溶融させながらフライアッシ
ュファイバーに吹き付けて被覆するものである。このよ
うにフライアッシュファイバーに金属をプラズマスプレ
ーにより付着して得られるプリプレグシートは、必要に
応じて配向することができる。また、材料の異方性をな
くすため、このプリプレグシートを積層構造としてもよ
い。

【００３１】本発明に従うＦＲＭ用のマトリックス材
は、比強度の点からアルミニウム系合金とチタン系合
金、マグネシウム系合金などが挙げられ、その他に、高
温用としてニッケル系合金も使用できる。これらのう
ち、アルミニウム系が最も汎用であり、好ましい。

【００３２】本発明に従う、フライアッシュファイバー
を強化材として使用できるマトリックスとしては、下記
の金属および合金を挙げることができる。（）内は、
融解温度を示す。アルミニウム（６６５℃）、亜鉛（４
１９℃）、アンチモン（６３０℃）、インジウム（１５
６℃）、カドミウム（３２１℃）、銀（９６１℃）、ゲ
ルマニウム（９５８℃）、ストロンチウム（７６９
℃）、錫（２３１℃）、セリウム（７９５℃）、セレン
（２２０℃）、テルル（４４９℃）、鉛（３２７℃）、
バリウム（７２５℃）、ビスマス（２７１℃）、ヒ素
（８１７℃）、マグネシウム（６５１℃）などの金属、
Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓ
ｉ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金
などのアルミニウム系合金、ホルムベルグ合金（１２５
℃）、メロット合金（９９．５℃）、ニュートンメタル
（９４．５℃）、ダルスメタル（９３℃）、リヒテンベ
ルグ合金（９２℃）、クローズ合金（８８℃）、ローズ
メタル（７９℃）、ウッドメタル（７１℃）、リボウイ
チメタル（７０℃）、低融点ハンダ（５０〜１００
℃）、共晶ハンダ（１８３℃）、ＪＩＳハンダ（１８４
〜２４０℃）、高温ハンダ（２６６〜３１４℃）、銀ろ
う（６００〜９００℃）、黄銅ろう（８２０〜９８０
℃）、アルミはんだ（２５５〜４１９℃）などの低融点
の合金類。

【００３３】本発明に従う該繊維強化金属複合材料に
は、フライアッシュファイバー及び金属の他に、必要に
応じて該分野で用いられる副原料や他のＦＲＭ用強化繊
維を適宜添加することができる。例えば、セラミックバ
ルーン、シラスバルーン、各種ウィスカー（Ｃｕ、Ｆ
ｅ、Ｗ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、黒鉛など）、Ｓ
ｉＣ粉末、Ｂ₄Ｃ粉末、Ａｌ₂Ｏ₃粉末、金属繊維（タン
グステン、モリブデン、ステンレス、スチール、タンタ
ルなど）、セラミック繊維、アルミナ繊維などを挙げる
ことができる。

【００３４】本発明において、表面処理がなされたフラ
イアッシュファイバーをマトリックス金属の強化繊維と
して使用する場合には、該分野で通常用いられる方法を
適宜用いて金属と複合化して成形体を作ることができ
る。ＦＲＭの成形方法は、液相成形法と固相成形法とに
大別される。前者の液相成形法としては、(a)溶浸法、
(b)真空鋳造法、(c)加圧化含浸法、(d)溶湯鍛造法など
が挙げられる。また後者の固相成形法としては、(1)プ
レス成形、(2)熱間圧接、圧延成形、(3)押出し、引抜き
成形、(4)熱間静水圧成形などが挙げられる。これらの
方法を使用目的に応じて、適宜選択して用いることがで
きる。

【００３５】ＦＲＭの中で最も期待されている母材は、
アルミニウム又はその合金である。アルミニウムは、軽
い（比重が２．７で、鉄や銅の約１／３であり、構造
物、運搬具、車輌および船舶などを軽量化できる）、耐
食性である、加工性がよい、機械的性質が広範囲に調節
できる、弾性率が鋼鉄の１／３で衝撃吸収性がすぐれ、
低温ぜい性がない、電気・熱の伝導性が優れている等の
多くの長所を有している。またアルミニウムは、純アル
ミニウムとして使われることも多いが、合金としての利
用もある。これらの特徴を活用して、車両、船舶、構造
物、運搬具、高圧電線、ＬＳＩの導電材、エンジン、熱
交換器、化学プラントなどに利用されている。

【００３６】アルミニウム合金は、加工用と鋳物用に大
別される。前者の加工用合金には次のものがある。(a)
純アルミニウム；耐食性にすぐれていることから、化学
工業、食品工業の設備、装飾品、ネームプレート、反射
鏡、導電材料などに使用される。(b)Ａｌ−Ｃｕ系合
金；ジュラルミン、超ジュラルミンは、鋼材に匹敵する
強度を有し、それの合せ板（クラッド板）は、航空機材
料として使用される。(c)Ａｌ−Ｍｇ系合金；装飾用
材、器物用、建築、車輌、船舶材料、機械部品、溶接構
造材、カメラの鏡胴として使用される。(d)Ａｌ−Ｍｇ
−Ｓｉ系合金；耐食性、強度ともにすぐれており、鉄
塔、クレーン、建築用サッシなどとして使用されてい
る。(e)Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金；超々ジュラルミン、
航空機材料、ゴルフクラブ、シャフト、スキーのストッ
ク、野球のバットなどのスポーツ用品として使用されて
いる。

【００３７】アルミニウム又はアルミニウム合金の特性
を、さらに向上させるべく多くの繊維との複合化がはか
られている。その代表は、ボロン繊維強化アルミニウム
複合材である。しかし、ボロン繊維は高価格であり、使
用される範囲は極めて特殊分野でなければならない。こ
れらのことから、新たに開発されたフライアッシュファ
イバーを使用し、アルミニウムとのＦＲＭ化を更に検討
した。

【００３８】フライアッシュファイバーは、他のセラミ
ックス繊維なみの耐熱性を有していることから、ＦＲＭ
の強化材として使用可能である。しかし、フライアッシ
ュファイバーと金属との濡れ性は低く、単にアルミニウ
ムの融点以上にまで加熱しただけでは複合化はできな
い。事実、フライアッシュファイバーとアルミニウムと
をルツボに入れ、電気炉中で８００℃に加熱したとこ
ろ、溶融した金属はルツボの下部に、フライアッシュフ
ァイバーはルツボの上部へと分離し、両者が混ざりあう
ことはなかった。

【００３９】両者を混合させる一つの方法は、上記のよ
うに、マトリックスにアルミニウム粉末を使用し、これ
とフライアッシュファイバーとの混合物をホットプレス
下で加熱加圧することである。本発明では、母材である
アルミニウム中に、分散させるフライアッシュファイバ
ーの重量を５％、１０％、１５％、２０％、３３％、５
０％、６６％と変えてＦＲＭを作製した。加熱温度６６
５℃、圧力は３００kg/cm²であった。作られたフライア
ッシュファイバー強化アルミニウムは、極めて硬くな
り、試料の薄片を折曲げようとしたが、容易には屈折で
きなかった。それに対し、純アルミニウムの場合には、
簡単に折り曲げることができた。また、フライアッシュ
ファイバーと複合化させることによって複合材の表面硬
度（ヌープ硬さ）は、３〜５倍高くなった。そして、電
気抵抗もフライアッシュファイバーを添加することによ
って、変化した。

【００４０】また、複合材の引張り強度は、フライアッ
シュファイバーを１０％添加した場合には９５〜９９MP
aを示し、無添加の場合と同程度であった。しかしなが
ら、いずれの方法でもアルミニウムの機械的強度を高め
るには致らなかった。これらのことから前処理として、
フライアッシュファイバーの表面を改質することによっ
て、アルミニウムとの濡れ性を良好にすることが好まし
いことが判った。

【００４１】界面における濡れ性を高めるためには、フ
ライアッシュファイバーの表面を改質することである。
まず最初に実験室的に簡便な方法である物理蒸着法（真
空蒸着法）によって、フライアッシュファイバーの表面
をアルミニウムあるいは銅で被覆して、表面改質を行っ
た。また、無電解メッキ法で銅メッキを行ってフライア
ッシュファイバーの表面を改質した。これらの金属で被
覆したフライアッシュファイバーとアルミニウムとをル
ツボ中に入れ、電気炉中で８００℃に加熱したところ、
両者は極めて均一に溶け合った。それに対し、表面改質
を行わなかった場合には、分離したままで一体化するこ
とはなかった。

【００４２】ホットプレスを使用し、表面改質フライア
ッシュファイバーとアルミニウム粉末とを混合し、加熱
・加圧してＦＲＭを作製した。各ＦＲＭの機械的強度お
よび硬さを測定した。アルミニウム被覆したＦＲＭの場
合には、ＦＲＭの強度の向上はなかったが、フライアッ
シュファイバーと母材との接着性は良好になっていた。
一方、銅被覆によって表面を改質したフライアッシュフ
ァイバーからのＦＲＭでは、いずれの場合も機械的強度
の向上が見られた。特に、真空蒸着法で作ったＦＲＭの
引張り強度は１２４MPaを示し、無処理品より３０MPaも
増大した。また、表面硬さは、６０％も大きくなった。

【００４３】このようにして作られたＦＲＭ中のフライ
アッシュファイバーの配向は、ランダムである。したが
って、繊維の配向を一方向に制御すれば、さらにこれよ
り３倍も高い強度をもつ複合材が製作できる。また、複
合材の引張り強度は、フライアッシュファイバーの強度
に支配される。そして、フライアッシュファイバーの強
度は、繊維の直径によって影響される。１００MPaの引
張り強度をもつ複合材の場合には、繊維径が大きいフラ
イアッシュファイバー含有量が多い場合の結果であり、
さらに繊維径の細い（例えば６μｍ程度）フライアッシ
ュファイバーを使用すれば、複合材の引張り強度はさら
に１桁高く１０００MPa程度になることはさほど困難で
はないといえる。

【００４４】純アルミニウムの引張り強度は、便覧によ
れば４６．６MPaで、あまり高くはないが、合金化する
ことによって機械的強度は著しく向上する。例えば７０
７５アルミニウム合金（Ａｌ−５．６Ｚｎ−２．５Ｍｇ
−１．６Ｃｕ）の場合には、引張り強度５７１MPa、引
張り弾性率７０．６GPaと１桁以上高くなる。そこで、
繊維直径６μｍのフライアッシュファイバー（引張り強
度４１２０MPa、引張り弾性率２００GPa）を使用し、７
０７５アルミニウム合金と複合化させる。その時の繊維
含有量を２０％とする。それの機械的強度を複合則にあ
てはめて計算する。フライアッシュファイバーがランダ
ム配向であるならば引張り強度４２６MPa、引張り弾性
率３２．１GPaになる。しかし、フライアッシュファイ
バーが一方向に配列したフライアッシュファイバー強化
アルミニウム合金では引張り強度１２８０MPa、引張り
弾性率９６．５GPaと計算できる。従って、フライアッ
シュファイバーと複合化したＦＲＭは、航空機の主材料
である超々ジュラルミンのように、アルミニウム合金の
機械的強度を著しく向上させることが可能になる。従っ
て、フライアッシュファイバーを添加することによっ
て、ＦＲＭの機械的強度や電気的特性を向上させること
ができる。そして、これらの特性を任意に制御すること
ができる。

【００４５】

【実施例】以下本発明を実施例により例証する。比較例１粒状アルミニウム（直径１〜２mm）の所定量を秤量し、
タンマン管（直径２０mm、長さ１５０mm）に入れた。こ
の中に、フライアッシュファイバーをアルミニウム重量
の１％相当を加え、できるだけ均一に混合した。このタ
ンマン管を、９００℃に加熱してある電気炉中に入れ、
アルミニウムを融解するとともに、フライアッシュファ
イバーとの複合化をはかった。しかしながら、両者は混
合しないで、溶融したアルミニウムはタンマン管の下部
に、フライアッシュファイバーは溶融したアルミニウム
の上部に浮遊していた。また、溶融したアルミニウムの
表面には、酸化したアルミナが生成し、白色に変質して
いた。次に、アルミニウムの酸化を防止するために、縦
型の環状炉を使用し、その中にアルゴンガスを流して複
合化をはかった。この場合にも、粉末状のアルミニウム
を用い、これとフライアッシュファイバーの所定量（ア
ルミニウムの０．５wt％、１wt％、２wt％）とを均一に
混合してから、タンマン管の中に加え、９００℃に加熱
してある電気炉中に挿入した。アルミニウムは直に溶解
し、フライアッシュファイバーと混合し始めた。約１０
分後、タンマン管を電気炉中から取り出し放冷した。両
者は溶融しあい、混りあったようであったが、試料を切
断してみると、フライアッシュファイバーが絡み合った
ボール状の内部にまで充填されておらず、空隙が見られ
た。また、アルミニウムが酸化されている様子はなかっ
た。したがって、アルゴン雰囲気中でアルミニウムを融
解することは、酸化防止の点では効果があったが、複合
化という点では効果は認められなかった。

【００４６】実施例１フライアッシュファイバーとアルミニウムとを混合させ
るために、真空下あるいはアルゴン下での融解混合を行
った。アルミニウム粉末とフライアッシュファイバーと
の混合物（１５ｇ）をホットプレス下で加熱加圧するこ
とによって複合化を試みた。母材であるアルミニウム中
への添加フライアッシュファイバー量を５％、１０％、
１５％、２０％、３３％、５０％、６６％と変えてＦＲ
Ｍを作製した。フライアッシュファイバーとアルミニウ
ム粉末との混合物（１５ｇ）をホットプレスの黒鉛製型
枠（内径４０mm）中に充填し、真空ポンプで減圧にし
た。この混合物に２８０kg／cm²の圧力を加えた。次
に、真空ポンプで減圧にすることを止め、アルゴンガス
を毎分１リットル流しながら、毎分３．３℃の速度で６
６５℃まで加熱した。同温度に３０分間保持した後、昇
温時と同じ速度で降温した。

【００４７】得られたフライアッシュファイバー強化ア
ルミニウム複合材は、直径４０mm、厚さ６mmの円盤状で
あった。この嵩密度、引張り強度（支点間距離２０mm、
荷重速度１mm／分）、引張り弾性率、曲げ強度、曲げ弾
性率および表面硬度（ヌープ硬さ、ロックウエル硬さ
（ダイヤモンドコーン、６０kg））を測定した。その結
果を表−２に示す。

【００４８】

【表２】

【００４９】フライアッシュファイバーを添加すること
によって、複合材の嵩密度は小さくなっているが、複合
材の引張り強度は、５〜１０％添加した時には９５〜９
８MPaを示し、無添加の場合と同程度であった。さらに
フライアッシュファイバー量が増えると、各機械的強度
は低下する傾向を示した。

【００５０】一方、複合材の表面硬度は、フライアッシ
ュファイバー量が増えるにしたがって、大きくなり、無
添加の３倍にもなった。また、研磨紙での削り易さは、
フライアッシュファイバー量が増すことによって、削り
にくくなった。さらに、電気抵抗もフライアッシュファ
イバーを添加することによって変化し、大きくなった。
従って、フライアッシュファイバーを添加することによ
って、ＦＲＭの表面硬度や電気的特性を向上させること
ができた。

【００５１】実施例２比較例１で示したようにフライアッシュファイバーと金
属との濡れ性は低く、単に融点以上にまで加熱しただけ
では複合化は達成できなかった。そこで、フライアッシ
ュファイバーの表面を改質し、アルミニウムとの濡れ性
を向上することを検討した。フライアッシュファイバー
の表面改質は、真空蒸着法によって、アルミニウムを被
覆した。所定量（１wt％）のアルミニウム被覆フライア
ッシュファイバーと粉末状アルミニウムとをタンマン管
中に入れ、電気炉中で９００℃に加熱した。フライアッ
シュファイバーは直にアルミニウム中に溶解し、両者を
良好に混合することができた。作られたフライアッシュ
ファイバー強化アルミニウム複合材は極めて剛く、強靭
になり、試料の薄片を折り曲げようとしたが、容易には
屈折できなかった。それに対し、純アルミニウムの場合
には、簡単に折り曲げることができた。複合材の表面硬
度は、アルミニウム被覆したフライアッシュファイバー
を添加することによって、表面処理を行わない場合より
１．５倍も大となった。また、走査電子顕微鏡でフライ
アッシュファイバー強化アルミニウム複合材の断面を観
察した。フライアッシュファイバーとアルミニウムとの
接着状況は、未処理の場合には、両者の界面に亀裂の発
生が見られたが、表面改質を行った場合には、そのよう
なことはなかった。

【００５２】実施例３フライアッシュファイバーに真空蒸着法で、アルミニウ
ムおよび銅被覆を行い、表面改質を行った。フライアッ
シュファイバーの所定量（５ｇ）を、真空蒸着装置（日
本電子（株）製）中に設置し、油回転ポンプで粗引き
し、その後油拡散ポンプで１０^-6Torrの真空にし、アル
ミニウムあるいは銅を被覆し、フライアッシュファイバ
ーの表面改質を行った。これらのフライアッシュファイ
バーを装置内から一端取り出し、ファイバーの表面と裏
面とを入れ替えて再度真空蒸着処理を行った。この処理
によって、重量が増加することはなかった。

【００５３】アルミニウム被覆あるいは銅被覆したフラ
イアッシュファイバーと粉末アルミニウムとの複合化を
行った。アルミニウム粉末と表面改質フライアッシュフ
ァイバーとの混合物をホットプレス下で加熱加圧するこ
とによってＦＲＭを作製した。母材であるアルミニウム
中への添加フライアッシュファイバー量は、１０％であ
った。表面改質フライアッシュファイバーとアルミニウ
ム粉末との混合物（１５ｇ）をホットプレスの黒鉛製型
枠（内径４０mm）中に充填し、真空ポンプで減圧にし
た。この混合物に２８０kg／cm²の圧力を加えた。次
に、真空ポンプで減圧にすることを止め、アルゴンガス
を毎分１リットル流しながら、毎分３．３℃の速度で６
６５℃まで加熱した。同温度に３０分間保持した後、昇
温時と同じ速度で降温した。

【００５４】得られたフライアッシュファイバー強化ア
ルミニウム複合材は、直径４０mm、厚さ６mmの円盤状で
あった。この嵩密度、引張り強度、引張り弾性率、曲げ
強度、曲げ弾性率および表面硬度（ヌープ硬さ、ロック
ウエル硬さ）を測定した。その結果を表−３に示す。

【００５５】

【表３】

【００５６】アルミニウム被覆したフライアッシュファ
イバーを用いて作られたＦＲＭは、引張り強度は９１MP
aであり、補強効果はなかった。しかし、引張り弾性
率、曲げ弾性率および硬さは著しく向上した。特に曲げ
弾性率は未処理品の１．５倍程度の値を示した。一方、
銅被覆したフライアッシュファイバーを用いて作られた
ＦＲＭは、引張り強度が１２４MPaであり、未処理品の
場合（９６MPa）よりも、３０MPaも強度が向上した。ま
た、弾性率および硬さは、アルミニウム被覆の場合と同
じように著しく向上した。

【００５７】実施例４フライアッシュファイバーに対して無電解銅メッキを行
い、ＦＲＭの強化材としての表面改質を行った。銅メッ
キは、次のようにして検討した。長さ５mmから１０mmに
切断したフライアッシュファイバー（１０ｇ）を、感受
性化処理液（塩化第二スズ１０ｇ、塩酸４０cc、純水１
０００cc）中に１０分間浸けた。その後、活性化処理液
（塩化パラジウム１ｇ、塩酸１０cc、純水４０００cc）
の中に１０分間浸漬した。いずれの場合も、よく攪拌し
ながら行った。フライアッシュファイバーへの銅メッキ
液の組成は、硫酸銅２５．０ｇ、ホルマリン４０ml、Ｅ
ＤＴＡ・２ＮＡ２２．３ｇを水（１０００ml）に溶かし
たものであった。その時のｐＨは１１．５、温度は４０
℃で、この液の中に５分間浸漬した。この時のメッキ速
度は２０μｍ／時間で、得られたフライアッシュファイ
バーは、灰色であった。このフライアッシュファイバー
をアルミニウム重量の５％を添加して、上記実施例３と
同じようにしてフライアッシュファイバー強化アルミニ
ウム複合材を製作した。得られた複合材の各強度を表−
４に示す。

【００５８】

【表４】

【００５９】作られたＦＲＭの引張り強度１１２MPa
で、未処理の場合（１０３．３MPa）より１０％ほど強
度が向上した。また弾性率は２．８０GPaであり、未処
理品の６０％ほど増大した。一方、複合材の曲げ弾性率
は１４．９GPaであり、著しく機械的特性が向上した。
また、各ＦＲＭの断面を走査電子顕微鏡で観察した。未
処理の場合には、フライアッシュファイバーとマトリッ
クスのアルミニウムとの間には空隙などが多数見られた
が、表面改質を行った複合材中にはそのようなことはな
く、両者は良好な接着状況を示していた。フライアッシ
ュファイバーの表面改質は、複合材の機械的強度の向上
に対して効果があった。

【００６０】

【発明の効果】本発明に従いフライアッシュファイバー
を金属マトリックスの強化材として用いることにより、
電気的特性、耐熱性及び表面硬度の優れた繊維強化金属
複合材料を得ることができる。更に、表面処理したフイ
アッシュファイバーを用いることにより、機械的強度の
一段と向上した繊維強化金属複合材料を得ることができ
る。該金属複合材料は、金属及びフライアッシュファイ
バーを含有する混合材料を加熱加圧成形（ホットプレス
法）して製造することが好ましく、特に表面処理してい
ないフライアッシュファイバーを繊維強化材として用い
る場合に好ましい。更に、本発明は特に金属としてアル
ミニウム及びその合金を用いる場合に好適に適用するこ
とができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強化材としてフライアッシュファイバー
を含有することを特徴とする繊維強化金属複合材料。
【請求項２】該フライアッシュファイバーが、無電解
メッキ法、化学蒸着法、物理蒸着法、電気泳動電着法及
びプラズマスプレー法のうちのいずれかの方法により表
面処理されたものである請求項１記載の繊維強化金属複
合材料。
【請求項３】金属マトリックスがアルミニウム又はそ
の合金である請求項１又は２記載の繊維強化金属複合材
料。
【請求項４】金属及びフライアッシュファイバーを含
有する混合材料を加熱加圧成形して複合化することを特
徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化金属
複合材料の製造方法。