JPS6140740B2

JPS6140740B2 -

Info

Publication number: JPS6140740B2
Application number: JP10572980A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamatsuta; Kenichi Nishio
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1980-07-30
Filing date: 1980-07-30
Publication date: 1986-09-10
Also published as: JPS5729545A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は無機質繊維を強化材とし、ストロンチ
ウム及び／又はバリウムを含有せしめた合金をマ
トリツクスとする機械強度の優れた繊維強化金属
複合材料（以下複合材料と略称する）に関する。近年、無機質繊維にアルミナ繊維、シリカ繊
維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊維などを
用い、マトリツクスにアルミニウム、マグネシウ
ム、銅、ニツケル、チタンなどを用いた複合材料
が開発され、多くの産業分野に使用され始めてい
る。無機質繊維と金属または合金（以下金属類と称
する）を複合化する際、溶融または高温の金属類
と無機質繊維界面で反応が起こり、脆化層が生じ
る。このため複合材料の強度が低下し、理論強度
と比較して低い強度を与える場合が多い。例えば
市販の炭素繊維などは大略300Kg/mm²程度の強度
を有しており、繊維含有率を50体積％としてマト
リツクス材料の強度を無視しても炭素繊維強化複
合材料の理論強度は複合側から150Kg/mm²程度と
推定される。事実エポキシ樹脂をマトリツクスと
した炭素繊維強化複合材料は150Kg/mm²乃至それ
以上の強度を示すが、アルミニウムをマトリツク
スとし、溶融金属含浸法を用いて作られた炭素繊
維強化複合材料では、高々30〜40Kg/mm²程度の強
度しか与えない。これは前述したように繊維が溶
融金属と接触することで界面反応が起こり繊維劣
化が起こるためである。かかる繊維劣化を防止す
るために種々の方法、例えば繊維の表面をコーテ
イング剤等で処理する方法などがとられているが
取扱上の面倒さ、コスト高などの問題が生じ、実
用的でない。本発明者らは、容易に実施し得る方法で複合材
料の強度を向上させるべく鋭意検討した結果従来
マトリツクスとして用いられていた金属類（以下
マトリツクス金属類と称する）にストロンチウム
および／またはバリウムを添加した合金をマトリ
ツクスとして用いると覆合材料が高い機械強度を
示すことを見出し、本発明に至つた。即ち、本発明、アルミニウム、マグネシウム、
銅、ニツケルおよびチタンから選ばれた金属また
は合金（但し、合金中にストロンチウム、バリウ
ム、カルシウム及びラジウムを含まない。）をマ
トリツクスとし、強化材として無機質繊維を15〜
70容量％含む繊維強化金属複合材料において、該
マトリツクスにストロンチウム及び／又はバリウ
ムを0.05〜10重量％含有せしめてなることを特徴
とする繊維強化金属複合材料を提供するものであ
る。以下に本発明を詳細に説明する。本発明に用いられる無機質繊維は、炭素繊維、
シリカ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊
維およびアルミナ繊維などである。本発明の複合
材料中に含まれる無機質繊維の割合は15〜70容量
％である。15容量％以下では強化効果が少なく、
70容量％以上の繊維同志の接触によりかえつて強
度が低下する。繊維形状は長繊維、短繊維のいず
れをも使用することが出来、目的、用途に応じて
いずれか、または両者を同時に使用出来る。目的
とする機械強度または弾性率を得るために一方向
クロスプライ、ランダム配向などの配向方法を選
択出来る。これらの無機質強化繊維のうち本発明
の金属強化効果を最も顕著に示し得る繊維は、特
公昭51−13768号公報に記載されているアルミナ
繊維である。即ち、アルミナ（Al₂O₃）含有量が
72重量％以上、100重量％以下であり、好ましく
は75重量％以上、98重量％以下であり、シリカ
（SiO₂）含有量が０重量％以上、28重量％以下で
あり、好ましくは２重量％以上、25重量％以下の
組成のものであり、Ｘ線的構造においてα−
Al₂O₃の反射を実質的に示さないアルミナ繊維で
ある。このアルミナ繊維は、本発明の効果を損な
わない範囲でリチウム、ベリリウム、ホウ素、ナ
トリウム、マグネシウム、ケイ素、リン、カリウ
ム、カルシウム、チタン、クロム、マンガン、イ
ツトリウム、ジルコニウム、ランタン、タングス
テン、バリウムなどの１種または２種以上の酸化
物等のような耐火性化合物を含有することが出来
る。本発明においてはマトリツクス金属類としてア
ルミニウム、マグネシウム、銅、ニツケル、およ
びチタンから選ばれた金属又は合金（但し、合金
中にストロンチウム、バリウム、カルシウム及び
ラジウムを含まない。）が使用される。軽量かつ
高強度が要求される場合には、アルミニウム、マ
グネシウムまたはその合金が好適であり、耐熱性
かつ高強度が要求される場合には、銅、ニツケル
およびチタンから選ばれた金属または合金が好適
である。本発明でいうこれらの金属類は通常の使
用に差支えない範囲で少量の不純物元素を含有し
ていてもよい。本発明の特徴はこれらの金属類にストロンチウ
ムおよび／またはバリウムを0.05重量％〜10重量
％添加し、これをマトリツクスとして用いること
により繊維−マトリツクス界面での反応を制御し
複合材料の強度を理論強度に近づけたことにあ
る。この添加金属による強度向上の機構は以下の通
り考えられる。ストロンチウム、バリウムはマトリツクス金属
類に添加されるとその金属の表面におけるこれら
元素の濃度は平均濃度より高くなる。例えば金属
がアルミニウムの場合、ストロンチウム、バリウ
ムを0.1モル％添加することにより表面張力はそ
れぞれ60、300dyne/cm低下させる。これはGibbs
の吸着等温式によつて示されるように表面部分の
これら添加元素の濃度がマトリツクス中における
平均濃度よりも高くなつているためである。次にこれら添加元素を含有した合金をマトリツ
クスとした無機質繊維強化金属複合材料の破断面
を走査型電子顕微鏡で観察すると添加元素のない
系と比較して繊維／マトリツクス界面の結合が弱
くなつている。繊維の外周面に見られたマトリツ
クスとの反応相が消失するなどの現象が見られ、
繊維−マトリツクス界面での反応が低下している
ことが観察される。即ち、これらの添加元素は繊
維−マトリツクス界面に高濃度に存在し、界面で
の反応を制御する働きを有し、従つて複合材料の
強度が飛躍的に向上する。本発明においてストロンチウムおよび／または
バリウムの添加量はマトリツクス金属類に対0.05
〜10重量％、好ましくは0.1〜５重量％である。
添加量が0.05重量％より少ない場合、本発明の効
果が顕著に認められず、一方10重量％より多い場
合、マトリツクス金属類の特質を損ない、耐蝕性
の低下、伸びの減少などと共に繊維とマトリツク
ス間の反応を完全に抑制してしまうために、複合
材料の強度向上効果も小さくなる。本発明においてストロンチウムおよび／または
バリウムのマトリツクスへの添加方法は種々の方
法が取り得、一般の合金の製造方法に従つて添加
してならんら問題はない。例えばマトリツクスと
なる金属をるつぼ中で空気中あるいは不活性雰囲
気下で溶融し、ストロンチウムおよび／またはバ
リウムを添加し、十分に撹拌し、冷却して作成す
る方法がある。本発明の複合材料は種々の方法によつて製造し
得る。すなわち、その主なものとして、(1)液体金
属含浸法のような液相法、(2)拡散接合のような固
相法、(3)粉末冶金（焼結、溶結）法、(4)溶射、電
析、蒸着などの沈積法、(5)押出、圧延などの塑性
加工法、(6)高圧凝固鋳造法などが例示される。本
発明の効果が顕著に認められる方法は(1)の液体金
属含浸法や(6)の高圧凝固鋳造法などのように溶融
金属と繊維が直接接触する方法であるが、(2)〜(5)
に示される製造方法においても明らかに効果が認
められる。このようにして製造された複合材料は本発明に
用いられる添加金属元素の存在しない場合と比較
して大幅な機械強度の向上が認められる。また、
加工法も既存の設備、方法を何等変更することな
く本発明を実行出来ることは実生産上非常に大き
なメリツトである。以下本発明を実施例によりさらに詳しく説明す
るが本発明はこれらによつて限定されるものでは
ない。実施例１純アルミニウム（純度99.9％）1000ｇを黒鉛製
るつぼにとりアルゴン雰囲気下で約700℃に熱し
溶解させた。10.0ｇのバリウムをこの中に加え炭
素鋼棒で十分撹拌し、Al−1.0重量％Ba合金を製
造した。全く同様な方法によつてAl−1.0重量％
Sr合金を１Kgづつ製造した。無機繊維に平均繊維径14μ、引張り強度150Kg/
mm^２、引張り弾性率235000Kg/mm²のアルミナ繊維
（Al₂O₃含有率85重量％、SiO₂含有率15重量％）
を用い、内径４mmの鋳型管に平行に引き入れた。
次いで上記合金をアルゴンガス雰囲気中700℃で
溶解し、この中に鋳型管の一端を浸漬し、他方を
真空脱気しつつ、溶湯表面に50Kg/cm²の圧力をか
けて繊維間へ合金を浸透させ、これを冷却して複
合化を完了した。複合体の繊維体積含有率は50±
１％になるように調整した。また比較のため、純アルミニウム（純度99.9
％）をマトリツクスとして、全く同じ方法で繊維
強化金属複合材料を得た。このようにして作製し
た繊維強化金属複合材料の常温での曲げ強度、曲
げ弾性率を測定した。結果を第１表に示す。いず
れの場合も純アルミニウムをマトリツクスとした
複合体よりも大幅な強度の向上が認められた。

【表】表中〓は重量〓を示す。
実施例２実施例１に示した方法Al−1.5重量％Baの合金
を調整した。無機繊維として実施例１で用いた
アルミナ繊維平均繊維径7.5μ、引張り強度300
Kg/mm²、引張り弾性23000Kg/mm²の炭素繊維（米
国ハーキユレス社製グレード各AS−４）及び
平均繊維径９μ、引張強度600Kg/mm²、引張り弾
性率7400Kg/mm²のシリカ繊維を用いて実施例１に
示した方法で繊維強化金属複合材料を作製した。また比較のため、純アルミニウム（純度99.9
％）をマトリツクスとして、全く同じ方法で繊維
強化金属複合材料を得た。得られた複合材料の繊
維体積含有率は全て50±１％の範囲内であつた。
このようにして作製した繊維強化金属複合材料の
常温で曲げ強度、曲げの弾性率を測定した。結果
を第２表に示すが、いずれの場合も純アルミニウ
ムをマトリツクスとした複合体よりも大幅な強度
の向上が認められた。

【表】

【表】実施例３マトリツクス金属をマグネシウムまたはニツケ
ルに変えた場合について示す。マグネシウムの場
合は、市販の純マグネシウム（純度99.9％）250
ｇと6.0ｇのバリウムを黒鉛製るつぼ中にとりア
ルゴンガス雰囲気下、このるつぼを約700℃まで
加熱し、十分に撹拌した後室温まで冷却し、Mg
−2.4重量％Ba合金を得た。この合金をマトリツ
クスとし、実施例１で用いたアルミナ繊維、及び
複合化方法により700℃にて複合化し、繊維強化
金属複合材料を得た。比較のため純マグネシウム
をマトリツクスとした繊維強化金属複合材料を同
じ条件にて作製した。得られた複合材料の繊維体
積含有率は全て50±１％の範囲内であつた。次にNi−2.0重量％Ba合金粉パウダーを、ポリ
メチルメタクリレートのクロロホルム溶液中に懸
濁したものに実施例１で用いたのと同じアルミナ
繊維を浸漬し、表面Ni−2.0重量％Ba合金粉でコ
ートされたアルミナ繊維を調整した。このシート
は厚み約250μを有し、繊維体積含有率は55.4％
であつた。このシートを10枚重ね合わせた炭素鋳
型に入れ、真空ホツトプレス中真空度
10^-2Torr、600℃で２時間結合材のポリメチルメ
タクリレートを分解除去したのち、徐々に加圧、
加熱して最終的に10^-3Torr、1400℃、15Kg/mm²の
条件で２時間保持し、繊維強化複合材料を得た。
比較のためマトリツクスとしてMgまたはNiのみ
の繊維強化金属複合材料を同じ方法、条件下にて
作製した。これらの複合材料の室温における曲げ
強度を測定した結果を第３表に示す。いずれの場
合も、バリウムを添加することによつて大幅に曲
げ強度が向上している。

【表】表中〓は重量〓を示す。
実施例４ Cu−1.5重量％Ba（以下特記あるもの以外の％
は重量を示す）、Ti−1.5％Ba合金パウダーを作
製し、このパウダーをそれぞれポリメチルメタク
レートの15％クロロホルム溶液中に投入し、ポリ
メチルメタクリレートとパウダーの重量比が40／
60なる懸濁液を調整した。この液中に実施例１で
用いたのと同じアルミナ繊維を浸漬して、表面が
これらパウダーでコートされたアルミナ繊維シー
トを作製した。このシートは厚み約250μを有
し、パウダー／アルミナ繊維の体積比はCu−1.5
％Baパウダーの場合55／45、Ti−1.5Baパウダー
の場合52／48であつた、このシートをそれぞれ10
枚重ね合せた炭素製鋳型に入れ、ホツトプレス中
真空度10^-2Torr、600℃で２時間結合材のポリメ
チルメタクリレートを分解除去した後、徐々に加
圧、加熱して最終的にCu−1.5％Baの場合
10^-3Torr、700℃、700Kg/cm²、Ti−1.5％Baの場
合10^-3Torr、900℃、700Kg/cm²の条件で30分間保
持し、繊維強化複合材料を得た。比較のためマト
リツクスとしたCu（純度99.9％以上）Ti（純度
99.9％以上）を用いた繊維強化複合材料を同じ方
法、条件下にて作製した。これらの複合材料の繊
維体積含有率はそれぞれ45％、48％であつた。こ
れらの複合材料の室温における曲げ強度を測定し
た結果を第４表に示す。いずれの場合もバリウム
を添加した事によつて大幅に曲げ強度が向上して
いる。

【表】実施例５実施例１に示した方法よりAC−1A（Al−５％
Cu）356（Al−8.0％Si−0.20％Fe−1.90％Cu−
0.03％Ti−0.90％Mg−0.13％Zr−0.01％Ｂ−0.15
％Sb）及びAl−10％Mg合金に1.0％Baを加えた
合金を調整した。無機繊維に実施例１で用いたアルミナ繊維を用
い、実施例１に全く同じ方法にて複合化を完了し
た。比較のため上記方法にてBaの含まれない上記
合金をマトリツクスとした複合体も作製した。こ
れら複合体の繊維体積含有率は50±１％であつ
た。次ぎにTi−６％Al−４％Ｖ合金及びTi−６％
Al−４％Ｖ合金に１％Baを加えた合金のパウダ
ーを調整し、実施例４に示した方法により純アル
ミナ繊維との複合体を作製した。但し複合化の条
件は10^-3Torr、800℃、700Kg/cm²であつた。複合
体中の繊維体積含有率は46％であつた。これらの
複合材料の室温における曲げ強度を測定したとこ
ろ結果を第５表に示す。いずれの場合もBaを添
加したことによつて大幅に曲げ強度が向上してい
る。

【表】

Claims

【特許請求の範囲】

１アルミニウム、マグネシウム、銅、ニツケル
およびチタンから選ばれた金属または合金（但
し、合金中にストロンチウム、バリウム、カルシ
ウム及びラジウムを含まない。）をマトリツクス
とし、強化材として無機質繊維を15〜70容量％含
む繊維強化金属複合材料において、該マトリツク
スにストロンチウム及び／又はバリウムを0.05〜
10重量％含有せしめてなることを特徴とする繊維
強化金属複合材料。