JPS63195235A

JPS63195235A - 繊維強化金属複合材料

Info

Publication number: JPS63195235A
Application number: JP62028578A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhisa Nakatani; 中谷　光久; Kenichi Nishio; 西尾　憲一
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1987-02-10
Filing date: 1987-02-10
Publication date: 1988-08-12
Also published as: EP0280875A1; US4839238A

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〕本発明は無機質繊維を強化材とし、沿あるいは、鉛とナ
トリウム、カリウム、カルシウム、ストロンチウム、セ
シウム、バリウムおよびう度の優れた繊細強化金属複合
材料（以下複合材料と略称する）に関する。

〔従来の技術〕

近年、無機質繊維にアルミナ・釦しシリカ繊維、シリコ
ンカーバイド繊維、ボロン＃ａ維などを用い、マトリッ
クスにアルミニウム、マグネシウム、銅、ニッケル、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、理論強度と沈毅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８００
４／閣２捏度の強度を有しており、繊維含有率を５０体
積％としてマトリッ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１５０　ｒ／１
１！２程反と推定される。事実エポキシ樹脂をマトリッ
クスとした炭素繊細強化複合材料は１５０４／ｉｆ乃全
それ以上の強度を示すが、アルミニウムをマトリックス
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８０〜４０　ｋ／ｄ　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ィ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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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ックスと
して用いられていた金属類（以下マトリックス金属類と
称する）に、沿あるいは鉛とナトリウム、カリウム、カ
ルシウム、ストロンチウム、セシウム、バリウムおよび
ラジウムから選ばれた一種又は二種以上の金属を添加し
た合金をマトリックスとして用いると複合材料が烏い機
械強度を示すことを見出し、本発明に至った。

〔問題点を解決するための手段〕

即ち、本発明はアルミニウム、マグネシウム、銅、ニッ
ケルおよびチタンから選ばれた金属または合金をマトリ
ックスとし、強化材として無機質繊細を１５〜７０容量
ｘ含む繊維強化金属複合材料において、該マトリックス
を構成する合金として鉛を・０．０５〜１０重Ｊ１％あ
るいは、鉛を０．０５〜１０重量％とナトリウム、カリ
ウム、カルシウム、ストロンチウム、セシウム、バリウ
ムおよびラジウムから選ばれた一種又は二種以上の金属
を０．Ｏ１〜６重ｊｌＮ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。

以下に本発明の詳細な説明する。

本発明に用いられる無機質繊維は、炭素ａ＃！、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曇こ含まれる
無機質繊維の割合は１１６−７（１％である。１５容肱
％以下では強化効果が少なく、７０容１ｔＸ以上では繊
維同志の接触によりかえって強度が低下する。繊維形状
は長繊維、短繊維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５１−１８７
６８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（Ａｃｔ’ｓ）　　含有量が７２重鰍％以上
、１００重鴬％以下であり、好ましくは７６嶌ｊｔＸ以
上、９８重搬％以下であり、シリカ（５１０！　）含有
量が０重斌％以上、２８！處％以下であり、好ましくは
２重量％以上、２５京量％以下の組成のものであり％Ｘ
線的・構造においてａ−Ａｔ、ｏｓの反射を実質的に示
さないアルミナ繊細である。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ックス金属類としてアルミニウ
ム、マグネシウム、銅、ニッケル。

およびチタンから選ばれた金属又は合金（但し、合金中
に沿、ナトリウム、カリウム、カルシウム、ストロンチ
ウム、セシウム、バリウム及びラジウムを含まない。）
が使用される。

軽量かつ扁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
嶋強度が要求される場合には、銅、ニッケルおよびチタ
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９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鉛を０．０５〜１０重
意％あるいは鉛を０．０５−１０重量％とナトリウム、
カリウム、カルシウム、ストロンチウム、セシウム、バ
リウムおよびラジウムから選ばれた一種又は二種以上の
金属をｏ、ｏｉ〜５重量％添加し、これをマトリックス
とし°て用いることにより繊維−マトリックス界面での
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。

溶融状態のマトリックス金属類と無機質繊維を複合化す
る過程において、冷却凝固時、無機質繊維の冷却は、マ
トリックス金属類より遅れる。そのためマトリックス金
属類中に含まれる鉛は低融点（８２７，４℃）で、しか
もマトリックス金属類と溶は合わないため、無機質繊維
のまわりに晶出し、無機１Ｍ繊維を被榎したような状態
となる。

沿は、無機質繊細と不活性なため、無機質繊維とマトリ
ックス金属類との反応を抑制し、なおかつ、無機質ｕＩ
４紬およびマトリックス金属類と適度な接着力を有して
いるため、複合材料の強度が飛躍的に向上する。

一方マトリックス金属類に鉛とナトリウム、カリウム、
カルシウム、ストロンチウム、セシウム、バリウムおよ
びラジウムから選ばれた一種または二種以上の金属を添
加すると、鉛のみの添加の場合より複合材料の強度がさ
らに飛躍的に向上する。この場合の強度向上の機構は以
下の通り考えられる。マトリックス金属類にナトリウム
、カリウム、カルシウム、ストロンチウム、セシウム、
バリウムおよびラジウムなどを添加すると、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％添加する仁とにより表向会力
はそれぞれ６０．８００　ｄｙｎｅ／ｃｓｇ低下させる
。

これはＧ　ｉ　ｂｂｓの吸着等温式によって示されるよ
うに表面部分のこれら冷加元素の濃度がマトリックス中
における平均濃度よりも高くなっているためである。こ
れらの添加元素は繊維−マトリッ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ている。無機
質繊維のまわりに鉛とナトリウム、カリウム、カルシウ
ム、ストロンチウム、セシウム、バリウムおよびラジウ
ム等の金属が存在することにより、界面での反応抑制効
果は増大する。

次にこれら添加元素を含有した合金をマトリックスとし
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！［／マ
トリックス界面の結合が弱くなっている。繊維の外周面
に見られたマトリックスとの反応相が消失するなどの現
象が見られ、繊維−マトリックス界面での反応が低下し
ていることが観察される。

本発明において船あるいはナトリウム、カリウム、カル
シウム、ストロンチウム、セシウム、バリウムおよびラ
ジウム等の添加量は、マトリックス金属類に対して、■
は０．０５〜１０重斌％、好ましくは０．１〜６重麓％
である。沿と併用するナトリウム、カリウム、カルシウ
ム、ストロンチウム、セシウム、バリウムおよびラジウ
ム等の金属の総添加量は、０．０１〜５Ｍ麓％、好まし
くは０．Ｏ１〜２重紘％である。

添加量が、鉛で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、一方給が１０重麓％より多
い場合、マトリッ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ックス間の反
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。

沿と、ナトリウム、カリウム、カルシウム、ストロンチ
ウム、セシウム、バリウムおよびラジウム等の金属を併
用した場合、ナトリウム、カリウム、カルシウム、スト
ロンチウム、セシウム、バリウムおよびラジウム等の添
加鍬が０．０１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５重量％より多い場合、マトリ
ックス金属類の特質を損ない、耐蝕性の低下、伸びの試
少などを引きおこし、痕合材料の強度同上効果も小さく
なる。

本発明において、沿および、ナトリウム、カリウム、カ
ルシウム、ストロンチウム、セシウム、バリウム、ラジ
ウム等のマトリックスへの添加方法は種々の方法が取る
ことができ、一般の合金の製造方法に従って添加すれば
よい。

例えばマトリッ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、鉛およびナトリウム、カ
リウム、カルシウム、ストロンチウム、セシウム、バリ
ウム、ラジウム等を添加し、十分に攪拌し、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って製造し得る。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）粉末冶金（焼結、溶結）法、（８
）溶射、電析、蒸着などの沈積法、（４）押出、圧延な
どの塑性加工法、（５）翼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（５）の４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）〜（
４）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。

〔実施例〕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
明はこれらによっ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９９．９８％）　１０００７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ノの鉛（純度９９．９％）をこの中に
加え、表面にキラ粉をつけた炭、素鋼棒で十分攪拌し、
Ａ／−１，０重ｆｉＸｌ−１ｂ合金を製造した。つぎに
同様にして作製したＡ１１．０重態％Ｐｂ合金を２個用
腫し、それぞれ黒鉛製るつぼにとり約７００℃に熱し溶
解させ、ひとつのるつぼの中に６．０ノのバリウムを加
えＡＡ’−１，０ｉｉｉｊｉ％Ｂｂ−Ｑ、５重旭％Ｂａ
ｅ台金を製造し、残りのるつぼの中に８．０２のカルシ
ウムを加えＡｆｉ−１，Ｏ菖意％Ｂｂ−ｏ、ａ重量％Ｃ
ａ台金を製造した。また同様な方法によりＡ＃−０，５
重態％Ｐｂ−０，５３に量％Ｂａ−０，５重鴬％Ｃａ合
合金製造した。

無機質繊維としてアル電す繊維（Ａ＃ｚ０３含有率８５
重斌％、　Ｓｉｎｇ　含有率１６重量％、平均繊維径１
４μｍ％引張強度１８０１ｅ／ｍｌ”、引張弾性率２ｆ
１１．５００即／１ｍ）を用い、繊維を一方向に引きそ
ろえ、！１００ｍ、横２００順、高さ６ｍｍの大きさに
した。これをニクロム炉内で６００℃に加熱した。次に
プランジャー加圧式金型中に予熱しておいたｗ４Ｎ、を
装填したのち、８５０℃に溶融させた上記合金をシリン
ダー内に注いだのち、プランジャーで６００　ｈ／ａｓ
’に加圧し、加圧下で合金を凝固させたのち、板状の繊
維強化金属複合材料を得た。

まｔこ比較のため純アルミニウム（純度９９．９８％）
をマトリッ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％であった。

これらの繊維強化金属複合材料より引張試験片を作製し
、常温での引張強度を測定した。

その結果を第１表に示す。

第１表表中％は電磁％を示す。

実施例２実施例１に示した方法でマトリックスとしテＡｌ−１，
０Ｍｍ９ｇ　Ｐｂ　台金、Ａｌ−８，０ｆｆｉｔＸｐｂ
台金、Ａｌ−１，ＯＢ量％）’ｂ−０，０１重量％Ｎａ
合金並びにＡｌ−１，ＯＷ量％Ｐｂ−０，５重電％Ｂａ
Ｑ金を調整した。無機質繊維として実施例１と同じアル
ミナ繊維を使用し、円径４閣の鋳型管内に引き入れた。

次いで上記合金をアルゴンガス雰囲気中７００°Ｃ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、溶場表面に５０１の圧力をかけてａ維間に合金
を浸透させ、これを冷却して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９９．９８％）
をマトリッ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％であった。これらの繊維強化金属複合材料より引
張試験片を作製し、常温での引張強度を測定した。

その結果をＭ２表に示す。

第２表表中％は重置％を示す。

実施例８実施例１に示した方法でマトリックスとしてＡ＃−０，
５重量％Ｐｂ合金、Ａ＃−１，０重鼠にＰｂ−０，０２
Ｍｆｔ’Ｘ　Ｃｓ　合金、Ａｌ−０，５’ＭＷ％ｐｂ−
ｏ、ａ重斌％Ｃａ合金およ重電ｌ−０，５重量％Ｐｂ−
０，５重量％Ｓｒ合金を調整した。無機質繊維として炭
素繊維（住化バーキュレス社製、平均繊維径８μｍ、引
張強度８７０　’ｔｏ／ｒｒｙｎ”、引張弾性率２８．
６００４／１１ｍ２　）を用い、実施例２で述べた方法
１条件下でｗ４ｍ強化金属金属材料を作製した。

また比較のため、純アルミニウム（純度９９．９８％）
をマトリックスとして全く同じ方法、条件下で繊維強化
金属複合材料を得た。

得られた複合材料のａ維体積含有率は全て６０％であっ
た。これらの繊維強化金属複合材料より引張試験片を作
製し、常温での引張強度を測定した。

その結果を第８表に示す。

第８表表中％は重量％を示す。

実施例４実施例１に示した方法でマトリックスとしてＣｕ−１，
０ｍｍ％Ｐｂ−０，１Ｗ社％Ｂａ台金、Ｎｉ−１，０重
量％Ｐｂ−０，１！’Ｉｔ％Ｓｒ合金をそれぞれ調整し
た。無機質繊維として実施例１と同じアルミナ繊維を使
用し、上記各合金の融点以上の温度で溶解させた以外は
実施例１で述べた方法、条件下で繊維強化金属複合材料
を作製した。

また比較のため純銅、純ニッケルをそれぞれマトリック
スとして全く同じ方法、条件下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６０
％であった。これらの繊維強化金属複合材料より引張試
験片を作製し、常温での引張強度を測定した。

その結果を第４表に示す。

第　　４　　表〔究明の効果〕以上詳述したように本発明の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一合と比較して大幅な機
械強度の向とが認められ、また加工法も既存の設備、方
法を同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ットであるから、その工業的価
値は頗る大なるものがある。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）アルミニウム、マグネシウム、銅、ニッケルおよ
びチタンから選ばれた金属又は合金をマトリックスとし
、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、該マトリックスを構成する
合金として鉛を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
（２）アルミニウム、マグネシウム、銅、ニッケルおよ
びチタンから選ばれた金属又は合金をマトリックスとし
、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ックスを構成する合
金として鉛を０．０５〜１０重量％含有し、合せてナト
リウム、カリウム、カルシウム、ストロンチウム、セシ
ウム、バリウムおよびラジウムから選ばれた一種又は二
種以上の金属を０．０１〜５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