JPS60145340A - 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

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】 アルミニウム複合材料及びその製造方法に係る。

従来シリコンカーバイ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の研究は、実用に供されてい
るシリコンカーバイド繊維がウィスカー状であるため、
シリコンカーバイドウィ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ＳｉＯ
のみからなるシリコンカーバイドウィスカーはアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金との濡れ性が悪く、またウ
ィスカーの長さがたかだか数關であるため前記ウィスカ
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イドウィスカー強化アルミ
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
ーバイ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０６θ／
・％以上を含有する高強度シリコンカーバイド繊維とア
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
．０７％以上含有するシリコンカーバイド繊維は、本発
明者らが先に特許出願した特願Ｓθ一ＳＯＳ２９号、特
願Ｓθー３；２１７７／号、特願Ｓθー５２ｌ７２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０．０／％以上含有したシリ
コンカーバイド繊維を使用する理由は、遊離炭素が０．
０／％より少いシリコンカーバイド繊維ハアルミニウム
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２〜２Ｄ％を含有させ
たシリコンカーバイド繊維を用いると、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
バイド繊維が体積比で２０％を占めるアルミニウム合材
料の伸びおよび引張強度は、第７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イド繊維強
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、（１）の化学反応式で示さ
れる如く、シリコンカーバイ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。

ＩＩＡｌ＋３Ｇ−→Ａｌ４Ｃ３・・・・・・・・・・・
・（１）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イド繊維の内部か
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
イ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７０分間以上溶融金属と遊離炭素を０．０／％
以上含有するシリコンカーバイ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イド繊
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
全く空孔カ認められず、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イ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
リコンカーバイ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７０％含有する
シリコンカーバイド繊維を複合させる量をかえたシリコ
ンカーバイド繊維強化アルミニウム複合材料の引張強度
はシリコンカーバイ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／θ倍以」二となっている。しかしながら前記複合
材料の伸びは、第を図に示されるごとく、シリコンカー
バイ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、体積比でに０％以上になるとほとんど
複合材料の伸びがなくなり、シリコンカーバイド繊維の
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イド繊維　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。

き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　Ｎｔｏｏ　０Ｃの温度の高い領域
でも強度が大きいため使用可能である。すなわち第４図
に示される如く、遊離炭素を７０％含有するシリコンカ
ーバイド繊維強化アルミニウム複合材料のｔｏｏ′ｃ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、アルミニウムの引張強度力ζきわめ
て小さくなる１１００′Ｃにおいても約９３ｋｇ／ｍｍ
”という大きい値となっており、さらに乙ｏｏ°ｃにお
いても約９０ｋｇ／−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イ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（Δａ　Ｏ）
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、シリコンカーバイ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イ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ＳｉＯ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
てシリコンカーバイ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、Ｓ１０を分解してシリコンカーバイド繊維
の形状を失なわせるため添加量は７５％以下としなけれ
ばならない。また前記鉄、銅およびニッケルのうち少く
とも７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７０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
カーバイ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
しにくくｔｌかつＳｉＯとも反応しない金属元素のうち
少くとも７種以上を〃％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〃％ま
で添加することができる。添加量が〃％を超えると濡れ
性の低下が大きいため、〃％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ｏ、ｏｉ％以上を含
有するシリコンカーバイド繊維は下記（１）〜００）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。

（１）　５ｉ−０結合のみをふくむ化合物。

（２）　Ｓｉ　−０結合のほかに５ｉ−Ｈをふくむ化合
物。

（ａ）　Ｓｉ　−Ｈａｌ結合を有する化合物。

（４）　５ｉ−Ｎ結合を有する化合物。

（５）　Ｓｉ　−ＯＲ（Ｒ−アルキル、アリール）結合
を有する化合物。

（ａ）　５ｉ−ＯＨ結合を有する化合物。

（７）　５ｉ−８ｉ結合をふくむ化合物。

（ｓ）　５ｉ−０−８ｉ結合をふくむ化合物。

（９）有機ケイ素化合物エステル類。

００）有機ケイ素化合物過酸化物。

前記（１）〜α０）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つを用いた重縮合反応により、
ケイ素と炭素とを主な骨格成分とする有機ケイ素高分子
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。

に）　前記（イ）〜（Ｐ）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（イ）←）（ハ）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（シルフェニ
レンシロキサン）ＯＨ３ １］−１，ポリ（メチレンオキシシロキサン）ｎ−２、
ポリ（エチレンオキシシロキサン）ｎ−６、ポリ（フェ
ニレンオキシシロキサン）ｎ−１２，ポリ（ジフェニレ
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、ポリシルフェニレン ｎ−１２，ポリシルジフェニレン に）　前記（イ）〜（／今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（イ）←）（ハ）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け不活性ガス、ＣＯ
ガス、水素ガスのうちから選ばれるいづれか７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イド繊維を製造するこ
とができる。

前記シリコンカーバイド連続繊維の原料である前記（イ
）〜に）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、コ原子のケイ素に対して少くとも！
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。、０／％以上は遊離炭素としてシリコンカ
ーバイ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イドウィスカーとアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金との複合材料においては、
ウ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、シリコンカーバイド
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
（２）式に示す如く炭化物を生成する。

Ｃ＋　ｉ　−ＡＩＣ−−−−−−一−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−（２）さらにはホットプレス法に
より遊離炭素を少くても０．０１％以上含有するシリコ
ンカーバイド繊維とアルミニウムまたはアルミニウム合
金とを混合し、ホットプレスして、遊離炭素とアルミニ
ウムと化合させることにより濡れをよくした複合材料を
製造することができる。この場合遊離炭素を０．０１％
以上含有するシリコンカーバイド繊維と金属アルミニウ
ム粉末とを混合しホットプレスして遊離炭素とアルミニ
ウムとを反応させて濡れをよくするための温度範囲は８
００〜６６０°Ｃが良い。前記温度範囲が３００°Ｃ以
下では遊離炭素とアルミニウムとの反応がきわめて遅く
実用的でなく、６６０℃以上ではアルミニウムが融解す
るため前記３００〜６００°Ｃで最も良い結果が得られ
る。但し金属の半溶融状態をホットプレスすることもで
きる。前記ホットプレスの圧力は０．１〜１０トン／ｃ
ｍ”の範囲であり、０．７　）ン／−２以下では加圧す
る効果がなく、７０１２７０ｍ２以上で加圧しても効果
には変りないため圧力は０．／〜ｌＯトン／ｃｍ２とす
る。さらにはホットプレスする時間は温度と関連し、通
常乙乙Ｏ″Ｃでは１０分以上、ぶｏｏ’ｃでは／ｊ分以
上、りＯＯ′Ｃ以上では３ｇ分以上、ｔｔｏｏ℃ではお
分以上、３００℃では２００分以上ホットプレスする。

前記ホットプレスしてシリコンカーバイド繊維とアルミ
ニウムを複合させる方法には、（１）箔冶金法、（２）
粉末冶金法、（３）電着法、（４）プラズマスプレー法
、（５）蒸着法がある。

（１）箔冶金法は金属の箔と繊維をバインダーで固定し
ながらドラム状に巻き付け、箔と繊維を並べた層を作り
、これをドラムからはずして適当な形に切り取りホット
プレスする方法である。

（２）粉末冶金法は金属粉末と繊維の列とを交互に重ね
て型にするか、繊維の束の一端から真空に引き粉末を詰
めて一定の形状とするか、あるいは短繊維と金属粉末を
圧延または押出して成形体とな１、この成型体をホット
プレスする方法である。

（３）電着法は電解析出によって繊維にマ）　ＩＪソッ
クス属を付着させて所定の形状にしたものをポットプレ
スする方法である。

（４）　プラズマスプレー法は不活性雰囲気中でプラズ
マアークの中に金属粉末を射出させ、これを整列させた
繊維上に吹きつけ付着させたものをホットプレスする方
法である。

（５）蒸着は真空蒸着が化学蒸着により繊維の表面に金
属を付着させたものを束ねてポットプレスする方法であ
る。

前記種々のホットプレス法のうち、粉末冶金法において
、繊維と金属粉末とを加圧成形した後、圧力なしで前記
８００〜６６０″Ｃの温度範囲で焼結して濡れをよくす
ることもでき、この場合加熱はポットプレスに比較して
長時間行わなければならない０ 次に本発明を実施例において説明する。

実施例　１ 遊離炭素を１０％含有するシリコンカーバイド繊維の直
径１０〜１５μｍのものを約２５０メツシユに編んだ網
と、アルミニウム粉末とを６００°Ｃの温度に加熱しア
ルゴンガス雰囲気中で５トン／ｃｍ２の加圧下でホット
プレスを４０分間おこない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り前記複合材料には２
１容積％のシリコンカーバイド繊維を含有されており、
その強度５４　ｋｇ／ｃｍ”であツタ。

以上本発明の方法で得られたシリコンカーバイド連続繊
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）　合成繊維用材料、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、攪拌機、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、遠心分離機、低温用容器、その他。

（ｃ）　機械工業用材料、例えば熱交換機、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。

（ａ　家庭用品事務用品用材料、例えば机、各種棚、い
す、各種ロッカー、その他。

（ｅ）　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−、サンドポンプ、パワーシ
ャベル、その他。

（０防災用部品、例えばスブリンクーラ、はしごその他
。

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

（ロ）　自動車用材料、例えばエンジン、マニホルド、
デフキャリヤ、クランクケース、ポンプボデー、バルブ
ボデー、クランクケース、クラッチハウジング、ミッシ
ョンケース、ギヤボックス、７ライホールハウジング゛
、シリンダーブロック、シリンダーヘッド、ピストン、
プーリー、ポンプボデー、ブロワ−ハウジング、タイヤ
モールド、ロータリーエンジン、構造材、ボディ材、そ
の他。

（ｉ）　食品用材料、例えばスーパーデカンタ−、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
トミントラケット、ボール、その他ｄ（ト）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。

（１）　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、ボール、
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、太陽熱利用材料、医療器具用材料
、自転車用材料、バルブの弁、弁座リング、棒、円板、
ライナー、インベンター、土砂輸送用ポンプ部品、汚物
処理重機部品、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１図はシリコンカーバイド繊維中に含まれる遊離炭素
の量とシリコンカーバイ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ｌθ％を含有するシリコンカーバイド繊維強化アルミ
ニウム複合材料の顕微鏡写真、第３図は遊離炭素／θ％
を含有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、第を図は遊離炭素／θ％を含有するシリコン
カーバイド繊維強化アルミニウム複合材料の伸びと複合
材料中の繊維の体積比との関係を示す図、第夕図は遊離
炭素１０％を含有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弾性率と複合材料の繊維の体積比と
の関係を示す図、第４図は遊離炭素／θ％を含有するシ
リコンカーバイド繊維強化アルミニウム複合材料の引張
強度の温度変化と、アルｓ　ニウムの引張強度の温度変
化を示す図、第７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。 特許出願人　東北大学金員材料研究所長手　続　補　正
　書く方式） 昭和６０年　２月　７日 昭和５９年特許願第１６４４８８号 ２、発明の名称 シリコンカーバイド繊維強化アツベニウム複合材料の製
造方法３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 東北大学金属材料研究所長 ４、代理人 ５、補正命令の日付 昭和６０年１月２９日 「図、第７図は一一一−示す」を削除する。 ２１１−

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細繊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
   で固相で接触させてホットプレススルことを特徴とする
   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。 区　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２０
   〜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、ニッケルの中から選
   ばれる少なくとも１種をアルミニウムに対し重置比で２
   ０％以下添加し固相で接触させてホットプレスすること
   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。 遣ト券−奔決弓