JPS6010098B2 - シリコンカ−バイド繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシリコンカーバィド繊維で補強したアルミニウ
ム複合材料の製造方法に係る。

従来シリコンカーバィド繊維とアルミニウムまたはアル
ミニウム合金との複合材料料の研究は、実用に供されて
いるシリコンカーバィド繊維がウイスカ−状であるため
、シリコンカーバイドウイスカーとアルミニウムまたは
アルミニウム合金とについてなされている。

しかしＳＩＣのみからなるシリコンカーバイドウイスカ
ーはアルミニウムまたはアルミニウム合金との濡れ性が
悪く、またゥィスカーの長さがたかだか数柵であるため
前記ゥィスカーを整列させるのが非常に困難であり、引
張強度が弱く、弾性率は低くかつウィスカーの価格が高
いため、実用に供されていない。本発明は前記シリコン
カーバィドウィスカ−強化アルミニウム複合材料の諸欠
点を解消し、常温ならびに高温において引張強度が大き
く、かつ弾性率の高いシリコンカーバィド繊維強化アル
ミニウム複合材料とその製造方法を提供することを目的
とし、このため遊離炭素０．０１％以上を含有する高強
度シリコンカーバィド繊維とアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金とを複合させると両者相互の濡れ性が良くな
ることに着目し、本発明を完成したものである。

本発明の複合材料に使用することのできる遊離炭素を０
．０１％以上含有するシリコンカーバィド繊維は、本発
明者らが先に特許出願した特公昭５７−５３８９１号、
特公昭５８一３８５３４号、特公昭５７一５３８９２号
の発明によるものである。

本発明のシリコンカーバイド繊維強化アルミニウム複合
材料において、遊離炭素を０．０１％以上含有したシリ
コンカーバィド繊維を使用する理由は、遊離炭素が０．
０１％より少し、シリコンカーバイド繊維はアルミニウ
ムあるいはアルミニウム合金との濡れが悪く、複合材料
を構成させても「温度、外力の影響を受けると前記繊維
と金属基地との間で相互に間隙があるため、それらの伸
縮は十分抑止されず、相互に強度的補完作用を発揮する
ことができないからである。

本発明において好適には遊離炭素２〜２０％を含有させ
たシリコンカーバィド繊維を用いると「最も良い結果が
得られる。

種々の量の遊離炭素を含有するシリコンカーバィド繊維
が体積比で２０％を占めるアルミニウム複合材料の伸び
および引張強度は、第１図に示すように、シリコンカー
バイド繊維中の遊離炭素の量が多くなるに従って複合材
料の伸びは次第に小さくなり、遊離炭素２０％の近傍で
は急激に小さくなる。前記複合材料の引張強度は遊離炭
素の増大とともに大きくなり、また遊離炭素２％以下で
は急激に小さくなる。本発明の遊離炭素を含有するシリ
コンカーバィド繊維強化複合材料の引張強度が繊維中の
遊離炭素の増大とともに大きくなっている理由は「川の
化学反応式で示される如く、シリコンカーバィド繊維中
に含まれる遊離炭素がアルミニウム金属と反応して炭化
アルミニウムを生成して物理的接着以外に化学的接着が
でてくるためであると考えられる。

４Ａ〆十父一Ａそ４Ｃ３・・・・・・ｍ 前記遊離炭素とアルミニウムとの反応において「遊離炭
素を含有するシリコンカーバィド繊維の内部からは炭素
が表面に拡散してアルミニウムと反応し、さらに前記繊
維内部へはアルミニウムが拡散してゆき遊離炭素と反応
するためシリコンカーバイド繊維とアルミニウムとの濡
れがきわめてよくなる。

前記遊離炭素とアルミニウムとの反応とはきわめて早い
が、シリコンカーバィド繊維の内部から遊離炭素が拡散
する拡散速度とアルミニウムが前記繊維内部へ拡散する
拡散速度が小さいため、通常１０分間以上溶融金属と遊
離炭素を０．０１％以上含有するシリコンカーバィド繊
維と接触反応させることが有利である。しかしながらシ
リコンカーバィド繊維中の遊離炭素の量が増大すると、
【１｝式の炭化アルミニウムの量が多くなるため複合材
料の伸びが小さくなってゆく。第２図の顕微鏡写真によ
ればこのような化学反応をともなって得られた複合材料
中の繊維の周囲には全く空孔が認められず、薄い炭化ア
ルミニウム層が見られ、前記濡れ性がきわめてよくなっ
ていることがわかる。本発明のシリコンカーバィド繊維
強化アルミニウム複合材料の引張強度、伸びおよび弾性
率は「複合材料中のシリコンカーバィド繊維の体積百分
率により異っている。

すなわち第３図に示す如く「遊離炭素を１０％含有する
シリコンカーバィド繊維を複合させる量をかえたシリコ
ンカーバィド繊維強化アルミニウム複合材料の引張強度
はシリコンカーバィド繊維の量を多くするに従って大き
くなり体積比で５０％になるとアルミニウムの引張強度
の約１の音以上となっている。しかしながら前記複合材
料の伸びは、第４図に示されるごとくもシリコンカーバ
ィド繊維の量が多くなるに従ってアルミニウムの伸びよ
り小さくなり、体積比で８０％以上になるとほとんど複
合材料の伸びがなくなり、シーｉコンカーバィド繊維の
添加量が２％以下ではアルミニウムの引張強度とほとん
ど変わらない。前記シリコンカーバィド繊維アルミニウ
ム複合材料の弾性率は第５図に示される如く、繊維の量
が増大するに従って増大し「体積比で５０％含有する場
合には、アルミニウムのそれの約３倍となっている。

さらに本発明のシリコンカーバイド繊維強化アルミニウ
ム複合材料は２００〜６００ｏｏの温度の高い領域でも
強度が大きいために使用可能である。

すなわち第６図に示される如く、遊離炭素を１０％含有
するシリコンカーバィド繊維強化アルミニウム複合材料
の６００００までの高温領域における引張強度は、温度
の上昇とともに小さくなるものの、アルミニウムの引狼
強度がきわめて小さくなる４００００においても約９５
ｋ９／桝という大きい値となっており、さらに６００ｑ
ｏにおいても約９０ｋ９／地の大きさであり、前記複合
材料は高温でも信頼して使用できる材料となっている。
本発明のシリコンカーバィド繊維強化アルミニウム複合
材料において、アルミニウム金属に炭素と反応して炭化
物を生成する時の標準自由エネルギー変化（△Ｇｏ）が
第７図に示す如く負の値をもつ元素を添加して合金とな
し、シリコンカーバィド繊維と複合させて複合材料とす
ることができる。

前記添加される元素にはハフニウム、ジルコニウム、チ
タン、バナジウム、クロム、シリコン、マンガン、モリ
ブデン、ニオブ、タンタル、タングステンがあり、これ
らの元素はシリコンカーバィド繊維中の遊離炭素と反応
して低温で安定な炭化物を造り、前記繊維と合金との濡
れ性をさらに良くすることができる。前記諸元素のほか
鉄、銅およびニッケルはＳＩＣと化合するため、これら
の元素をアルミニウムまたはアルミニウム合金に添加し
てシリコンカーバィド繊維と金属との濡れを良くするこ
ともできる。しかしながら鉄および／または銅をアルミ
ニウムに多量添加すると、ＳＩＣを分解てシリコンカー
バィド繊維の形状を失なわせるため添加量は１５％以下
としなければならない。

また前記鉄、銅およびニッケのうち少くとも１種以上を
添加したアルミニウム合金とシリコンカーバイド繊維と
の濡れをよくするためには通常１０分以上溶融接触させ
ることは有利である。前記炭化物を生成する諸元素なら
びに鉄、銅、ニッケルをアルミニウムに添加し合金する
と、シリコンカーバィド繊維と金属との濡れがきわめて
よくなるため、さらにマグネシウム、亜鉛、アンチモン
、鉛、ビスマス、カドミウム、リチウムおよびその他の
炭化物を生成し‘こく〈、かつＳＩＣとも反応しない金
属元素のうち少くとも１種以上を２０％以下添加しても
、前記合金の濡れ性の低下はわずかであるため、前記元
素類を２０％まで添加することができる。

添加量が２０％を超えると濡れ性の低下が大きいため、
２０％を超えて添加することは好ましくない。次に本発
明の複合材料の製造方法について説明する。

本発明において使用される遊離炭素０．０１％以上を含
有するシリコンカーバィド繊維は下記‘１ー〜（１０）
の型式に分類される有機ケイ素化合物を出発原料として
製造される。

｛１１ Ｓｉ−Ｃ結合のみをふくむ化合物。

■ Ｓｉ−Ｃ結合のほかにＳｉ−日をふくむ化合物。【
３｝ Ｓｉ−舷１結合を有する化合物。‘４ー ＳＩＮ
結合を有する化合物。

‘５１ Ｓｉ−ＯＲ（Ｒ−アルキル、アリール）結合を
有する化合物。

‘６１ Ｓｉ−ＯＨ結合を有する化合物。

｛７１ Ｓｊ−Ｓｉ結合をふくむ化合物。

‘８｝ Ｓｉ−○−Ｓｉ結合をふくむ化合物。

■ 有機ケイ素化合物ェステル類。ＯＱ 有機ケイ素化
合物過酸化物。

前記｛１ー〜（１０）の型式に属する少なくとも１種以
上の有機ケイ素化合物から、照射、加熱、重縮合用触媒
添加の少なくとも何れか１つを用いた軍縮合反応により
、ケイ素と炭素とを主な骨格成分とする有機ケイ素分子
化合物、例えば下記の如き分子構造を有する化合物を生
成させる。

０前記‘ィ｝〜内記載の骨格成分を鎖状及び三次元構造
のうち少なくとも一つの部分構造として含むもの又は【
ィ）【ｏ｝内の混合物。

前記の分子構造を有する化合物には例えば次の如きもの
がある。

ｎ＝１、ポリ（シルメチレンシロキサン）ｎ＝２、ポリ
（シルエチレンシロキサン）ｎ＝６、ポリ（シルフエニ
レンシロキサン）ｎ＝１、ポリ（メチレンオキシシロキ
サン）ｎ＝２、ポリ（ヱチレンオキシシロキサン）ｎ＝
６、ポリ（フエニレンオキシシロキサン）ｎ＝１２、ポ
リ（ジフエニレンオキシシロキサン）ｎ＝１、ポリシル
メチレンｎ＝２、ポリシルエチレン ｎ＝３「ポリシルトリメチレン ｎ＝６、ポリシルフエニレン ｎ＝１２、ポリシルジフエニレン 〇 前記‘ィー〜日記載の骨格成分を鎖状、環状及び三
次元構造のうち少なくとも一つの部分構造として含むも
の、又は‘ィ｝【〇州の混合物。

前記有機ケイ素高分子化合物を紡糸し、該紡糸を真空中
で予備加熱し、さらに真空中あるいは不活性ガス、ＣＯ
ガス、水素ガスのうちから選ばれるいづれか１種以上の
雰囲気下で高温焼成することにより強度がきわめて大き
く、弾性率の高いシリコンカーバィド繊維を製造するこ
とができる。

前記シリコンカーバィド連続繊維の原料である前記【ィ
）〜〇の有機ケイ素高分子化合物中にケイ素と炭素とが
含まれる割合は、２原子のケイ素に対して少くとも５原
子以上の炭素となっているため、この有機ケイ素高分子
化合物を紡糸し、焼成すると、高分子の側鎖として結合
している多くの炭素は炭化水素となって揮発するものの
少くともｏ．ｏｌ％以上は遊離炭素としてシリコンカー
バィド繊維中に残存させることができる。従来知られた
シリコンカーバィドウイスカーとアルミニウムまたはア
ルミニウム合金との複合材料においては、ゥィスカーと
金属とは物理的に接着しているにすぎないが、本発明の
複合材料においては、シリコンカーバィド繊維中の遊離
炭素と金属元素が化学的にも結合して下記の式に示す如
く炭化物を生成する。Ｃ＋Ａ〆＝Ａ〆Ｃ……■ 本発明の複合材料を製造する際には炭素０．０１％以上
を含有するシリコンカーバィド繊維と金属溶湯をできる
だけ長い間接触させると、強固な複合材料を製造するこ
とができ、通常１０分間以上の溶融状態での接触が有利
である。

溶融アルミニウムにシリコンカーバィド繊維を複合させ
る方法にはＱ｝溶融金属浸透法「■鋳造法ト糊タ１１ィ
カスト法の３つの方法がある。このうち溶融金属浸透法
は、真空中あるいは不活性ガス雰囲気中で、整列した繊
維の束の間に溶融金属を浸透させる方法であり、この場
合、浸透圧を利用して溶融金属を浸透させたり、一端を
真空に引き、溶融金属側に不活性ガスにより圧力を加え
ることもできる。【２｝鋳造法は｛１’の溶融金属浸透
法と同様、繊維の間に溶融金属を満してゆく方法であり
、連続鋳造法として特に有用なものである。又‘３｝ダ
ィカスト法は繊維と溶融金属の混合物を型に入れ加圧成
形する方法である。次に本発明を実施例において説明す
る。

実施例 １ アルミニウムを‐６側Ｈｇの真空室中で８０００のこ加
熱溶融した。

一方直径１０〃ｍの遊離炭素を５％含有するシリコンカ
ーバィド連続繊維を束ね、一端を密封したアルミナ製パ
イプ中に並列に封入してから、このアルミナ製パイプを
前記真空室中に入れ加熱し、シリコンカーバィド連続繊
維を脱ガス処理した。次いで前記繊維入りアルミナ製パ
イプを開放機を下にして、予め溶融状態にしておいた前
記アルミニウム金属浴中に沈下させた後、真空室中にア
ルゴンガスを流し込み、室の圧力を１気圧とした。溶融
したアルミニウムはアルミナ製パイプ中に押し上げられ
てシリコンカーバィド連続繊維間を満たし、前記繊維中
の遊離炭素と反応してＡ〆４Ｃ３を生成した。

この生成反応を十分行なわせてシリコンカーバィド連続
繊維とアルミニウムとの濡れをよくするためアルミニウ
ムの溶融状態を１時間保持した。アルミナ製パイプ中に
おいて得られたシリコンカーバィド連続繊維強化アルミ
ニウム複合材料のシリコンカーバイド繊維の量は４１％
であった。前記複合材料の強度は１０５ｋ９／ゆであっ
た。なおアルミニウム鋳物の引張強さは約１０ｋｇ／ゆ
であり、本発明の方法で製造した複合材料は約１の音も
強度が大きい。実施例 ２ アルミニウムにシリコン０．箱重量％含有させたアルミ
ニウム合金を１×１０‐５柳Ｈｇの真空室中で７５００
０に加熱し溶融状態のまま保持した。

一方直径８山ｍの遊離炭素を１１％含有するシリコンカ
ーバィド連続繊維を束ね、両端開放のアルミナ製パイプ
中に並列に封入して、該アルミナ製パイプの一端を真空
装置に取付け、真空室中に入れて加熱しシリコンカーバ
イド連続繊維の脱ガス処理をおこなった。次いで前記ァ
ルミナ製パイプの池端を前記溶融アルミニウムーシリコ
ン合金中に沈下させた後、前記真空中にアルゴンガスを
流し込み「室の圧力を５側Ｈｇとし、前記アルミナ製パ
イプ内は１×１０‐５側Ｈｇの真空として、溶融アルミ
ニウムーシリコン合金をシリコンカーバイド連続繊維入
りアルミナ製パイプ中に吸い上げた。前記吸い上げられ
たアルミニウムーシリコソ合金の溶融状態を４び分間保
持して、シリコンカーバィド連続繊維中の遊離炭素とア
ルミニウムとシリコンとを反応させ、シリコンカーバィ
ド連続繊維強化アルミニウム合金複合材料とした。前記
複合材料のシリコンカーバィド繊維の量は４８％であり
、この複合材料の引張強度１３０ｋｇ／磯であった。実
施例 ３ 実施例２と同一方法により、シリコンの代りに、０．５
重量％のチタンを含有させたアルミニウムーチタン合金
と３％の遊離炭素を含有するシリコンカーバィド繊維と
を３０分間溶融接触させて、前記繊維とアルミニウムー
チタン合金との濡れを良くし、シリコンカーバイド繊維
強化アルミニウム合金複合材料とした。

前記複合材料には２群容積％のシリコンカーバイド繊維
が含まれており、その引張強度は８６ｋ９ノゆであった
。実施例 ４ 実施例２と同一の方法により、０．３重量％のシリコン
以外に０．亀重量％の鉄と５重量％の銅を添加したアル
ミニウム合金と５．５％遊離炭素を含有するシリコンカ
ーバィド繊維とを２■ふ間熔融接触させて、シリコンカ
ーバイド繊維と前記アルミニウム合金との濡れをよくし
、シリコンカーバイド繊維強化アルミニウム合金複合材
料とした。

前記複合材料には３蟹容積％のシリコンカーバィド繊維
が含まれており、その引張強度は１０３ｋｇ／めであつ
た。実施例 ５ 直径１０山ｍで遊離炭素を６％含有するシリコンカーバ
ィド連続繊維を使用した。

アルゴン雰囲気中で、８００午０に加熱溶融されたアル
ミニウムを入れる溶解格を長さｌｍとし、前記シリコン
カーハィド連続繊維を８肌／分の速度で前記溶解裕中を
通して、シリコンカーバィド連続繊維とアルミニウムと
の濡れをよくした、シリコンカーバイド連続繊維強化ア
ルミニウム複合材料を製造した。この線材の直径は３０
ムｍであり、引張強度５１ｋｇ／桝とアルミニウムの約
５倍であり、弾性率は１５．０×１ぴｋ９／紘とアルミ
ニウムの約２倍となった。以下本発明の方法で得られた
シＩＪコンカ−バィド連続繊維強化アルミニウムまたは
アルミニウム合金複合材料は引張強度がきわめて大きく
、かつ弾性率も高いため、下記に示す各種材料として使
用される。｛ａ｝ 合成繊維材料「例えばボビン、分離
器、糸かけ、ポンプの部品、ボール、スリーブ、メカシ
ール、弁、ノズル、濃杵機、反応容器、パイプ、熱交換
機、バルブ、その他。

‘ｂ｝ 合成化学用材料、例えばプランジャーポンプ、
スリーブ、メカシール、分離器「反応器弁、減圧弁、シ
ート、熱交換機ト遠心分離機、低温用容器、その他。

【ｃ｝ 機械工業用材料、例えば熱交≠契機、圧粉ダイ
ス、超音波加工機、ホーン、ミシン部品、カム、ボール
ミル部品、カメラ部品、真空ポンプ、集電子、軸受、工
具、時計部品、機械用台、その他。

｛ｄ｝ 家庭用品事務用品用材料、例えば机、各種棚、
し、す、各種ロッカー、その他。

‘ｅー 建設機械用材料、例えばボーリングマシン、削
岩機、粉砕機、キャタピラー、サンドポンプ、パワーシ
ャベル、その他。

‘ｆ｝ 防災用部品、例えばスプリンクーラ、はしごそ
の他。

鷹）海洋開発（合宇宙）用材料、例えば、熱交換機、ア
ンテナ、水上標識、タンク、その他。

仇） 自動車用材料、例えばエンジン、マニホルド、デ
フキヤリヤ、クランクケース、ボンプボブー、バルブボ
デー、クランクケースヘクラツチハウジング、ミッショ
ンケース、ギヤボツクス「フライホールハウジング、シ
リンダーブロク「シリンダーヘッド、ピストン「プーリ
ー「ポンフ。ボデー、プロワーハウジング「 タイヤモ
ールド「 ロータリーエンジン「構造材Ｌボディ材「そ
の他。（ｉ）食品用材料、例えばスーパーデカ，ンター
、バルブ「反応器」メカシール、分離器、その他。

（ｊ）スポーツ用材料、例えば、スパイク、ゴルフ用具
、テニスラケット、釣具、登山用具、スキー用具、バト
ミントラケツト、ポールトその他。

水）船舶航空機用材料、例えばエンジン、構造材料、外
壁、スクリュー、水中翼、その他。

０）電機用材料、例えば送電用ケーブル〜 コンデンサ
ー、シャーシー、アンテナ、ステレオ部品、ポール、そ
の他。

（ｍ） 建築用材料、例えば、窓わく、構造材料、その
他。

（ｎ）以上のほか農機具材料、漁具用材料、原子力用材
料、核融合炉材料、大陽陽熱利用材料、医療器具用材料
、自転車用材料、バルブの弁、弁座「リング、榛、円板
、ライナーもィンベンター「土砂輸送用ポンプ部品、汚
物処理用磯部品、プラスチックの押出し射出用ダイス、
ノズル「反射鏡、その他に有利に使用することができる
。

【図面の簡単な説明】

第亀図はシリコンカＷバィド繊維中に含まれる遊離炭素
の量とシリコンカーバィド繊維強化アルミニウム複合材
料の伸びと引張強度との関係を示す図、第２図は遊離炭
素１０％を含有するシリコンカーバィド繊維強化アルミ
ニウム複合材料の顕微鏡写真「第３図は遊離炭素１０％
を含有するシリコンカーバィド繊維強化アルミニウム複
合材料の引張強度と複合材料中の繊維の体積比との関係
を示す図、第４図は遊離炭素１０％含有するシリコンカ
ーバィド繊維強化アルミニウム複合材料の伸びと複合材
料の繊維の体積比との関係を示す図、第５図は遊離炭素
１０％を含有するシリコンカーバィド繊維強化アルミニ
ウム複合材料の弾性率と複合材料の繊維の体積比との関
係を示す図、第６図は遊離炭素１０％を含有するシリコ
ンカーバィド繊維強化アルミニウム複合材料の引張強度
の温度変化と、アルミニウムの引張強度の温度変化を示
す図、第汀図は炭化物生成反応の標準自由エネルギー変
化を示す図である。 第２図 筑１図 第３図 第４図 第７図 策６図 節８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ケイ素と炭素とを主な骨格成分とする有機ケイ素高
   分子化合物から成る紡糸繊維を焼成して生成した０．０
   １％以上の遊離炭素を含むシリコンカーバイド繊維とア
   ルミニウム金属又は合金とを体積比で、アルミニウム２
   ０〜９８％、シリコンカーバイド繊維８０〜２％の割合
   で加熱融合することを特徴とするシリコンカーバイド繊
   維強化アルミニウム複合材料の製造方法。 ２ ケイ素と炭素とを主な骨格成分とする有機ケイ素高
   分子化合物から成る紡糸繊維を焼成して生成した０．０
   １％以上の遊離炭素を含むシリコンカーバイド繊維とア
   ルミニウム金属又は合金とを体積比で、アルミニウム２
   ０〜９８％、シリコンカーバイド繊維８０〜２％の割合
   とし、これに炭素と炭化ケイ素との濡れ性の良い元素と
   して、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、バナジウム
   、クロム、シリコン、マンガン、モリブデン、ニオブ、
   タンタル、タングステン、鉄、銅、ニツケルの中から選
   ばれる少なくとも１種をアルミニウムに対し重量比で２
   ０％以下添加し加熱融合することを特徴とするシリコン
   カーバイド繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法。