JP4095584B2 - セラミック成形体及び金属基複合部材 - Google Patents

Description

本発明は、金属基複合部材（ＭＭＣ：Metal Matrix Composite）及びこの金属基複合部材の製造に使用されるセラミック成形体に関する。

従来、セラミック成形体内の空隙部分（以下、これを「セル」という）に金属を充填した金属基複合部材が知られている（例えば、特許文献１参照）。この金属基複合部材に使用されるセラミック成形体は、コランダム等からなるセラミックの粉体を焼結することによって、その内部に多数の孔状のセルを形成したものである。このようなセラミック成形体のセルに金属を充填して得られる金属基複合部材は、耐摩耗性等の機械的強度に優れることから、製紙用の精砕機プレートやタービン羽等に好適に使用される。
特開平６−１７０５１４号公報（段落０００８乃至段落００１３、図６、図１０）

ところで、このような金属基複合部材では、セラミック成形体の熱膨張率に比較して金属の熱膨張率が大きいことから、セルに充填された金属の熱膨張の大きさ及びその方向性は、金属基複合部材の全体の熱膨張率に大きく影響する。その一方で、従来の金属基複合部材に使用されるセラミック成形体（例えば、特許文献１参照）は、そのセルが不定形の孔で構成されていることから、このような孔内に充填された金属は、孔が延びる方向に大きく熱膨張する。つまり、金属基複合部材内に分布する金属の熱膨張に異方性が生じる。

その結果、従来の金属基複合部材（例えば、特許文献１参照）は、このように金属の熱膨張に異方性が生じるために、金属基複合部材の全体としての熱膨張率の低減化が困難となる。

したがって、このような従来の金属基複合部材は、優れた機械的強度を有しながらも、大きな温度変化を伴うと共に寸法安定性が要求される部材として使用することができなかった。

そこで、本発明は、熱膨張率が低減された金属基複合部材及びこの金属基複合部材の製造に使用されるセラミック成形体を提供することを課題とする。

本発明者は、セルに金属を充填した金属基複合部材の熱膨張を抑制するセラミックの骨格構造を見出して本発明に到達した。

すなわち、前記課題を解決するための発明は、球状の気泡である球状セルがその内部に複数形成されたセラミック成形体であって、相隣る前記球状セル同士が連通孔を介して連通し合って三次元網目構造を形成していると共に、前記球状セルの内径のメジアン（Ｍ_D）に対する前記連通孔の内径のメジアン（Ｍ_d）の比（Ｍ_d／Ｍ_D）が０．５未満であることを特徴とする。

このセラミック成形体は、金属基複合部材を製造するためのものであって、金属が充填される球状セルをその内部に複数備えている。金属基複合部材が製造される際には、球状セルに溶融した金属が注入される。この際、相隣る球状セル同士が連通孔を介して連通し合って三次元網目構造を形成しているので、各球状セルには、連通孔を通じて溶融した金属が行きわたる。そして、その溶融した金属を凝固させることによって金属基複合部材が製造される。

このセラミック成形体を使用して製造された金属基複合部材では、球状セルに充填された金属が球状になっているので、その金属の熱膨張に異方性が生じない。また、この金属基複合部材では、金属が球状セルで拘束されると共に、金属が金属基複合部材内で三次元網目構造を形成して均一に分布する。そして、球状セルの内径のメジアン（Ｍ_D）に対する前記連通孔の内径のメジアン（Ｍ_d）の比（Ｍ_d／Ｍ_D）は０．５未満に設定されている。その結果、このセラミック成形体を使用して製造された金属基複合部材は、従来の金属基複合部材（例えば、特許文献１参照）と比較して、熱膨張率が小さい。

また、このようなセラミック成形体においては、複数の前記球状セルが、最密充填構造状の配列を形成するように配置されており、相隣る前記球状セル同士が相互に離れて形成され、前記球状セル同士が連通孔を介して連通し合って三次元網目構造を形成している。なお、ここでの「球状セルの最密充填構造状の配列」とは、各球状セルが面心立方格子を構成するように配置され、又は六方最密充填構造状に配置されることをいう。

このセラミック成形体は、球状セルが最密充填構造状の配列を形成するように配置されることによって、得られる金属基複合部材の熱膨張率の低減効果が増大する。その結果、従来の金属基複合部材と同等の熱膨張率を達成するために必要な体積分率を低くすることができる。したがって、このセラミック成形体によれば、溶湯の溶浸性を向上させることができる。

また、以上のようなセラミック成形体によれば、前記セラミック成形体の前記球状セル及び前記連通孔に金属が充填されていることを特徴とする金属基複合部材が提供される。

本発明によれば、熱膨張率が低減された金属基複合部材を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、実施形態に係るセラミック成形体を模式的に示す斜視図、図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、「球状セルの最密充填構造状の配列」を説明するための図、図３は、図１中のＡ−Ａ線における断面の様子を部分的に示す図、図４は、実施形態に係るセラミック成形体（図３参照）を使用して製造された金属基複合部材を示す図である。なお、図１において、セラミック成形体の球状セルは、便宜上、一部の球状セルのみを記載している。また、図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）において、球状セル及び仮想の球体（仮想球体）は、便宜上、一部の球状セル及び一部の仮想の球体（仮想球体）のみを記載している。

（セラミック成形体）
図１に示すように、セラミック成形体１は、その内部に複数の球状セル２が形成されている。この球状セル２は、セラミック成形体１を使用して後記する金属基複合部材５（図４参照）が製造された際に、金属６（図４参照）が充填される部分であり、球状の気泡で形成されている。なお、本実施形態では、各球状セル２の内径は、均一になっている。ここでの「均一」とは、各球状セル２の内径が同一である場合を意味するほか、球状セル２の内径のＣＶ値（Coefficient of Variation：平均粒子径に対する標準偏差の割合）が１０％以下である場合を含む意味である。
なお、球状セル２の内径としては、特に制限はないが、メジアンで１０μｍ乃至１０００μｍの範囲で設定すればよい。

本実施形態では、この球状セル２は、セラミック成形体１内で最密充填構造状に配列されている。ここでの「球状セル２の最密充填構造状の配列」とは、各球状セル２が面心立方格子を構成するように配置され、又は六方最密充填構造状に配置されることをいう。

このような「球状セル２の最密充填構造状の配列」は、図２（ｃ）に示すように、球状セル２の内壁面２ａに対して近接するように球状セル２のそれぞれを内包する仮想の球体４（以下、「仮想球体４」という）であって、各仮想球体４の径が同一であるものを想定した場合に、各仮想球体４が最密充填構造を構成するように組み上げられることによって形成される。さらに具体的に言うと、この「球状セル２の最密充填構造状の配列」は、図２（ａ）に示すように、各仮想球体４のそれぞれにおいて、１つの仮想球体４がこれを取り囲む６つの仮想球体４と接するように配置されて構成された第１層Ｌ１と、図２（ｂ）に示すように、第１層Ｌ１を構成する、互いに接した３つの仮想球体４のそれぞれと接するように第１層Ｌ１上に仮想球体４が配置されて構成された第２層Ｌ２と、図２（ｃ）に示すように、第２層Ｌ２を構成する、互いに接した３つの仮想球体４のそれぞれと接するように第２層Ｌ２上に仮想球体４が配置されて構成された第３層Ｌ３と、さらに第３層Ｌ３上で第２層Ｌ２及び第３層Ｌ３と同様にして順番に積層されていく複数の層（図示せず）とによって構築される。

この「球状セル２の最密充填構造状の配列」では、仮想球体４が最密充填構造を構成するように組み上げられていくので、各仮想球体４同士の間隙が最小となる。その結果、本実施形態では、球状セル２の内径が均一であるので、球状セル２が最密充填構造状の配列を形成するように配置されると、各球状セル２がセラミック成形体１内で緻密に、かつ均一に配置されることとなる。

このような球状セル２は、図３に示すように、相隣る球状セル２同士が連通孔３を介して連通し合っている。その結果、各球状セル２は、連通孔３を介して連通し合うことによって、セラミック成形体１内で三次元網目構造７（図１を併せて参照）を形成している。

連通孔３は、図３に示すように、各球状セル２の間に形成されて、各球状セル２を連通させている。この連通孔３は、セラミック成形体１を使用して金属基複合部材５（図４参照）を製造する際に、各球状セル２を連通させることによって、三次元網目構造７を構成する各球状セル２内に溶融した金属を行きわたらせるためのものである。

この連通孔３の内径は、設定した球状セル２の内径に応じて設定されており、具体的には、球状セル２の内径のメジアン（Ｍ_D）に対する連通孔３の内径のメジアン（Ｍ_d）の比（Ｍ_d／Ｍ_D）が０．５未満となっている。そして、この（Ｍ_d／Ｍ_D）は、０．０１を超え、かつ０．５未満であることが好ましい。このように連通孔３の内径を設定することによって、このセラミック成形体１を使用して製造された金属基複合部材５（図４参照）の熱膨張率は、従来の金属基複合部材と比較して一段と低減される。

以上のようなセラミック成形体１の材質としては、例えば、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ等のエンジニアリングセラミックが挙げられる。

（金属基複合部材）
次に、このセラミック成形体１を使用して製造された金属基複合部材５（図４参照）について説明する。
図４に示すように、金属基複合部材５は、セラミック成形体１の球状セル２及び連通孔３に金属６が充填された部材である。したがって、この金属基複合部材５では、各球状セル２内に充填された金属６のそれぞれが、均一な外径を有する球状に形成されており、球状の金属６のそれぞれは、球状セル２内で拘束されている。そして、球状の金属６は、前記した最密充填構造状の配列となるように金属基複合部材５内に分布している。

このように各球状セル２内に充填された金属６のそれぞれは、図４に示すように、連通孔３に充填された金属６によって繋げられて、金属基複合部材５内での金属６は、三次元網目構造７を形成するように金属基複合部材５内に広がっている。

また、球状セル２の内径のメジアン（Ｍ_D）に対する連通孔３の内径のメジアン（Ｍ_d）の比（Ｍ_d／Ｍ_D）が０．５未満であるセラミック成形体１を使用して製造された金属基複合部材５では、図４に示すように、球状セル２に充填された金属６の外径のメジアンに対する連通孔３に充填された金属６の外径のメジアンの比が、前記したＭ_d／Ｍ_Dと等しく、０．５未満となっている。

以上のような金属基複合部材５に使用される金属６としては、例えば、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｓｉ、Ｓｉ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｍｇ、Ｍｇ合金等が挙げられる。

（セラミック成形体の製造方法）
次に、本実施形態に係るセラミック成形体の製造方法について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図５は、本実施形態に係るセラミック成形体の製造方法の工程説明図、図６は、本実施形態に係るセラミック成形体の製造方法を構成する充填工程で製造される「セラミック粒子で被覆された微小球」の概念図、図７は、本実施形態に係るセラミック成形体の製造方法を構成する充填工程で製造される成形体材料の概念図、図８は、本実施形態に係るセラミック成形体の製造方法を構成する気化工程で製造される焼結用成形体の概念図である。

セラミック成形体１の製造方法は、図５に示すように、予め設定された温度で気化する微小球を準備する工程（微小球の準備工程）と、前記微小球及びセラミック粒子を型内に充填する工程（充填工程）と、前記微小球を気化させる工程（気化工程）と、セラミック粒子を焼結する工程（焼結工程）とで主に構成される。

＜微小球の準備工程＞
微小球は、予め設定された温度で気化するものであり、真球の粒子で構成されている。この微小球は、後記する焼結工程の温度を下回る温度、好ましくは２５０℃乃至７５０℃程度で気化するものが選択される。この微小球としては、樹脂で構成される有機微小球が好ましく、さらに好ましくは、ポリ（メタ）アクリル酸メチル、ポリスチレン等の樹脂からなるものである。このような樹脂で構成される有機微小球は、所定のモノマを公知の懸濁重合法によって懸濁重合させて得ることができる。また、有機微小球は、市販のものが使用されてもよい。

この微小球は、その外径のＣＶ値（前記と同義）が１０％以下になるように選別されることが好ましい。なお、微小球は、後記する気化工程で気化することによって、セラミック成形体１の球状セル２を形成するものであり、その外径は、メジアンで１０μｍ以上、１０００μｍ以下のものが好ましい。

＜充填工程＞
この充填工程では、前記した微小球とセラミック粒子とが型内に充填される。この充填工程では、微小球が型内に充填されるに先立って、図６に示すように、微小球１０の表面がセラミック粒子１１で被覆される。このセラミック粒子１１は、外径が均一である真球の微粒子で構成されている。その結果、この「セラミック粒子１１で被覆された微小球１０」の外径は、均一になっている。このセラミック粒子１１は、その外径が０．１μｍ以上、１００μｍ以下のものが好ましい。

このセラミック粒子１１は、後記する焼結工程で焼成されてセラミック成形体１の骨格を形成するものである。したがって、このセラミック粒子１１の材質としては、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ等のエンジニアリングセラミックが選択される。

微小球１０のセラミック粒子１１による被覆は、微小球１０とセラミック粒子１１とを含む組成物を、この組成物に剪断力を加えながら微小球１０及びセラミック粒子１１を混合することによって行うことができる。微小球１０とセラミック粒子１１との配合比は、微小球１０の質量をＷ１とし、セラミック粒子１１の質量をＷ２としたときの質量比（Ｗ１／Ｗ２）で、０．１≦Ｗ１／Ｗ２≦１０の範囲内であることが好ましい。このような配合比で微小球１０とセラミック粒子１１とを配合することによって、微小球１０の表面は、万遍なくセラミック粒子１１で被覆される。なお、このように微小球１０の表面をセラミック粒子１１で被覆する際に、微小球１０とセラミック粒子１１とを含む組成物には、ポリビニルアルコール等のバインダが配合されてもよい。

次いで、「セラミック粒子１１で被覆された微小球１０」（図６参照）と、次に説明するセラミックスラリとの混合物が調製される。
このセラミックスラリは、セラミック粉体を水等の分散媒中に分散させたものであり、セラミック粉体と分散媒とをボールミル等を使用して混合することによって得られる。このセラミックスラリ中のセラミック粉体の量は、５０質量％乃至９０質量％程度に設定されればよい。

このセラミックスラリの粘度は、０．０５Ｐａ・秒乃至５Ｐａ・秒程度に設定されればよい。このような範囲にセラミックスラリの粘度が調整されることによって、「セラミック粒子１１で被覆された微小球１０」（図６参照）同士の間にセラミックスラリが十分に行きわたると共に、後記する焼結工程におけるセラミック成形体１（図１参照）の収縮が抑制される。

このセラミック粉体は、後記する焼結工程で焼成されて前記したセラミック粒子１１（図６参照）と共にセラミック成形体１（図１参照）の骨格を形成するものである。したがって、このセラミック粉体の材質としては、セラミック粒子１１の材質と同じ材質のもの、つまり、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ等のエンジニアリングセラミックが選択される。このセラミック粉体は、その粒子径が０．１μｍ以上、１００μｍ以下のものが好ましい。

なお、このようなセラミックスラリには、解膠剤やバインダが含まれていてもよい。解膠剤としては、公知のものでよく、例えば、四級アンモニウム塩、アクリル酸オリゴマ、モノエチルアミン等が挙げられる。バインダとしては、例えば、ポリビニルアルコール、アクリルエマルジョン、ポリビニルブチラール、メチルセルロース、β−１，３グルカン等が挙げられる。

このようなセラミックスラリと、「セラミック粒子１１で被覆された微小球１０」との混合物は、「セラミック粒子１１で被覆された微小球１０」の体積Ｖ１と、セラミックスラリの体積Ｖ２との比が、Ｖ１：Ｖ２＝６：４乃至９：１となるように設定されることが好ましい。また、この混合物のｐＨは、８乃至１０が好ましく、さらに好ましくは８．５乃至９である。このような範囲に混合物のｐＨを調整することによって、この混合物におけるセラミック粉体の分散性が向上する。

次に、混合物は、この混合物の減圧濾過が可能な型に流し込まれる。この型としては、例えば、石膏等の多孔質の部材からなる型や、底部に濾紙が配置された型が挙げられる。この混合物は、この型を介して減圧濾過される。その結果、この混合物の液体成分であるセラミックスラリ中の分散媒は、混合物から抜け出ていくと共に、混合物は、減圧方向に圧縮される。その結果、図７に示すように、混合物中の固形成分である「セラミック粒子１１で被覆された微小球１０」が相互に寄り合うことによって最密充填構造状に微小球１０が配置されると共に、「セラミック粒子１１で被覆された微小球１０」の間にセラミック粉体１２が充填された成形体材料１３が得られる。

そして、この成形体材料１３は、乾燥した後に次に説明する気化工程で処理される。なお、成形体材料１３の乾燥は、１０℃以上、３０℃以下の雰囲気下に５時間乃至４０時間程度放置し、次いで、３０℃以上、１２０℃以下の雰囲気下に１時間乃至２０時間程度放置して行うことが好ましい。このような条件で乾燥されることによって、成形体材料１３は、ひびや反りが生じることなく効率良く乾燥される。なお、このような成形体材料１３において、「セラミック粒子１１で被覆された微小球１０」（図６及び図７参照）は、前記した仮想球体４（図２（ｃ）参照）に対応しており、「セラミック粒子１１で被覆された微小球１０」は、成形体材料１３内で最密充填構造の配列を形成している。

＜気化工程＞
次に、気化工程を主に図７及び図８を参照しながら説明する。
この気化工程では、成形体材料１３（図７参照）内の微小球１０（図７参照）が気化される。この気化工程では、成形体材料１３が、炉内にて所定の昇温速度で加熱される。成形体材料１３が加熱されると、成形体材料１３内の微小球１０が気化することによって、図８に示すように、成形体材料１３（図７参照）の微小球１０（図７参照）が存在していた部分が空洞化して球状セル２となる。その一方で、微小球１０が気化する際に発生したガス圧によって、微小球１０を被覆するセラミック粒子１１が外れる。この際、相隣る球状セル２同士が近接した箇所のセラミック粒子１１が優先的に外れる。その結果、図８に示すように、球状セル２同士を連通させる連通孔３が形成される。

この連通孔３（図８参照）の大きさは、微小球１０（図７参照）が気化する際に発生したガス圧の大きさを制御することによって調節することができる。つまり、ガス圧が大きければ大きいほど連通孔３の内径は大きくなる。そして、このガス圧の制御は、成形体材料１３（図７参照）が配置される炉内の圧力、所定の加熱温度に至るまでの昇温速度及び前記加熱温度の保持時間等を調節することによって行われる。

したがって、前記したような、球状セル２の内径のメジアン（Ｍ_D）に対する連通孔３の内径のメジアン（Ｍ_d）の比（Ｍ_d／Ｍ_D）が０．５未満であるセラミック成形体１（図３参照）を得るためには、具体的にいうと、炉内の圧力が、１Ｐａ乃至１ＭＰａ程度に設定され、そして加熱温度が３００℃以上、６００℃以下に設定される場合において、加熱温度に至るまでの昇温速度が、５℃／時間以上、１２０℃／時間以下に設定され、前記保持時間が、３０分乃至１０時間程度に設定されればよい。さらに具体的に言うと、例えば、微小球１０としてポリ（メタ）アクリル酸メチルが使用される場合には、炉内の圧力を０．１ＭＰａに設定し、そして室温から加熱を開始すると共に５００℃までの昇温速度を１０℃／時間に設定し、保持時間を３時間程度に設定することができる。

この気化工程では、成形体材料１３（図７参照）が加熱されることによって、図８に示すような焼結用成形体１４が製造される。つまり、この焼結用成形体１４内には、図８に示すように、前記した球状セル２及び連通孔３が形成される。なお、この焼結用成形体１４では、複数の球状セル２が最密充填構造状の配列を形成するように配置されていると共に、相隣る球状セル２同士が連通孔３を介して連通し合って三次元網目構造７を形成している。

＜焼結工程＞
この焼結工程では、前記した焼結用成形体１４（図８参照）が焼成される。この焼結工程で、焼結用成形体１４（図８参照）が焼成されることによって、球状セル２を取り囲むセラミック粒子１１及びセラミック粉体１２は焼結して一体となる。その結果、焼結用成形体１４は、図３に示すようなセラミック成形体１となる。

焼結用成形体１４の焼成温度は、セラミック粒子１１及びセラミック粉体１２の焼結温度に設定すればよいが、具体的には、１０００℃以上、２３００℃以下に設定されればよい。さらに具体的に言うと、例えば、セラミック粒子１１及びセラミック粉体１２として、ＳｉＣが使用される場合には、この焼成温度は１５００℃程度に設定されればよい。そして、焼成時間は、２時間乃至６時間程度に設定されればよい。

（金属基複合部材の製造方法）
次に、セラミック成形体１（図３参照）を使用した金属基複合部材５（図４参照）の製造方法について説明する。
金属基複合部材５は、図４に示すように、前記した焼結工程で得られたセラミック成形体１の球状セル２及び連通孔３に溶融した金属６が注入されることによって製造される。この金属６は、前記したＡｌ、Ａｌ合金、Ｓｉ、Ｓｉ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｍｇ、Ｍｇ合金等が選択される。球状セル２及び連通孔３への溶融した金属６の注入は、セラミック成形体１を所定の金型内に設置して予熱した後に、公知の鋳造法を使用して行えばよい。中でも、低速層流ダイカスト法が好ましい。

以上のような製造方法で得られた金属基複合部材５は、球状セル２内に充填された金属６が球状になっているので、金属６の熱膨張に異方性が生じない。また、この金属基複合部材５では、金属６が球状セル２内で拘束されると共に、金属６が金属基複合部材５内で三次元網目構造７を形成するように分布する。その結果、この金属基複合部材５は、金属基複合部材５内に充填された金属６の熱膨張が均一となる。そして、金属６が充填された球状セルの内径のメジアン（Ｍ_D）に対する前記連通孔の内径のメジアン（Ｍ_d）の比（Ｍ_d／Ｍ_D）は０．５未満に設定されている。したがって、金属基複合部材５は、従来の金属基複合部材（例えば、特許文献１参照）と比較して、熱膨張率が小さい。

また、この金属基複合部材５は、球状セル２に充填された金属６が最密充填構造状の配列を形成するように配置されているので、その熱膨張率の低減効果が増大する。その結果、従来の金属基複合部材と同等の熱膨張率を達成するために、使用されるセラミック成形体１の必要な体積分率を低くすることができる。つまり、セラミック成形体１に対する溶湯の溶浸性を向上させることができる。

このような金属基複合部材５は、機械的強度が優れていると共に、熱膨張率が小さいことから、その適用範囲は広い。具体的に言うと、この金属基複合部材５は、例えば、エンジンのシリンダボア周り、シリンダヘッドのガスケット面、ボルト締結座面、ジャーナル軸受周り、バルブシート圧入部及びバルブガイド圧入部等に好適に使用することができる。

また、前記実施形態では、セラミック成形体１が略立方体の形状になっているが、本発明は製造する金属基複合部材５の形状に応じて適宜に変更することができる。

次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
（実施例１）
＜セラミック成形体の製造＞
(i) 微小球の準備工程
セラミック成形体を製造するために、ポリメチルメタクリレート樹脂からなる有機微小球（綜研化学社製、商品名ＭＲ−９０Ｇ）を準備した。この有機微小球の外径は、メジアンで９０μｍであった。この有機微小球は、図６に示す微小球１０に対応する。

(ii) 充填工程
次に、この有機微小球の表面を、ＳｉＣからなるセラミック粒子（屋久島電工社製、商品名ＯＹ−２０）で被覆した。このセラミック粒子の外径は、メジアンで０．５μｍであった。このセラミック粒子は、図６に示すセラミック粒子１１に対応する。なお、有機微小球の表面へのセラミック粒子の被覆は、有機微小球１質量部、セラミック粒子１質量部及びポリビニルアルコール０．１質量部からなる組成物を、この組成物に剪断力を加えながら有機微小球、セラミック粒子及びポリビニルアルコールを混合することによって行った。この混合には、ホソカワミクロン社製、ＡＭ−１５Ｆが使用された。この際、混合器の回転速度は１０００ｒｐｍに設定され、混合時間は３０分に設定され、そして、インナーピース距離は１ｍｍに設定された。

次に、「セラミック粒子で被覆された有機微小球」とセラミックスラリとの混合物を調製した。この混合物は、「セラミック粒子で被覆された有機微小球」の体積Ｖ１と、セラミックスラリの体積Ｖ２との比が、Ｖ１：Ｖ２＝６：４乃至９：１の範囲に入るように調製された。

また、セラミックスラリは、ＳｉＣからなるセラミック粉体（屋久島電工社製、商品名ＯＹ−２０）６１．７質量部、四級アンモニウム塩２．８質量部、アクリルエマルジョン１．９質量部及び蒸留水３３．６質量部を混合して調製された。なお、セラミック粉体の粒子径は、メジアンで０．５μｍであった。このセラミック粉体は、図７に示すセラミック粉体１２に対応する。

次に、この混合物を流し込むための型を準備した。この型は、縦が２５ｍｍ、横が３５ｍｍ、そして深さが４５ｍｍのキャビティを有するものであり、この型の底部には、キャビティ内に連通する吸引口が設けられている。そして、この型の底部に設けられた吸引口上には、ガラス繊維製濾紙（孔径０．７μｍ）が配置されている。

次に、この型内に前記した混合物を流し込むと共に、吸引口を介して吸引することによって混合物を減圧濾過した。そして、キャビティ内に成形体材料を得た。この成形体材料は、図７に示す成形体材料１３に対応する。成形体材料は、型から外された後に乾燥された。この成形体材料の乾燥は、２０℃の雰囲気下に２０時間放置した後、さらに９０℃の雰囲気下に１時間放置することによって行った。

(iii) 気化工程
次に、乾燥させた成形体材料を炉内にて加熱した。このときの炉内の圧力は、０．１ＭＰａに設定された。そして、室温から加熱を開始すると共に５００℃までの昇温速度が１０℃／時間に設定され、５００℃での保持時間が３時間程度に設定された。このように成形体材料を加熱することによって、焼結用成形体を得た。この焼結用成形体は、図８に示す焼結用成形体１４に対応する。

(iv) 焼結工程
次に、得られた焼結用成形体を炉内にて焼成した。この際、炉内の圧力は、０．１ＭＰａに設定され、焼成温度は、２１００℃に設定され、焼成時間は、３時間に設定された。このような焼成によって、セラミック成形体を得た。このセラミック成形体は、図１及び図３に示すセラミック成形体１に対応する。

＜セラミック成形体の解析＞
次に、得られたセラミック成形体が、三次元ＣＴ（３Ｄ−ＣＴ）を使用して解析された。その結果、セラミック成形体内において、セラミック粒子及びセラミック粉体は、焼結して一体となっていた。そして、セラミック成形体内には、無数の球状セルがセラミック成形体の全体にわたって均一に分布しており、相隣る球状セル同士が連通孔で連通し合っていることが確認された。また、各球状セルは、連通孔を介して相互に連通することによって三次元網目構造を形成していることが確認された。この球状セル及び連通孔は、図８に示す球状セル２及び連通孔３に対応する。

そして、球状セルの内径のメジアン（Ｍ_D）を三次元ＣＴの解析データに基づいて算出した結果、球状セルの内径のメジアン（Ｍ_D）は、８０μｍであった。また、連通孔の内径のメジアン（Ｍ_d）を、水銀圧入法を使用して求めた。連通孔の内径のメジアン（Ｍ_d）は、１６μｍであった。つまり、このセラミック成形体の（Ｍ_d／Ｍ_D）は、０．２となっていた。

また、このセラミック成形体について、三次元ＣＴの解析データに基づいて、球状セルの内径のバラツキを求めた。その結果を図９に示す。図９は、球状セルの内径（μｍ）と、セラミック成形体における球状セルの存在確率（％）との関係を示すグラフである。

＜金属基複合部材の製造＞
前記のセラミック成形体は、その大きさが、縦が２０ｍｍ、横が３０ｍｍ、そして高さが４０ｍｍとなるように切削加工された。金属基複合部材は、このセラミック成形体の球状セル及び連通孔にアルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＤＣ１２）が充填されることによって製造された。球状セル及び連通孔へのアルミニウム合金の充填は、溶融したアルミニウム合金を、低層流ダイカスト法を使用して球状セル及び連通孔に注入することによって行った。この際、セラミック成形体の予熱温度は、５００℃に設定され、アルミニウム合金の溶湯の温度は、６８０℃に設定され、アルミニウム合金の溶湯の射出速度は、０．２ｍ／秒に設定され、そして鋳造圧力は、７５ＭＰａに設定された。
このようにして得られた金属基複合部材は、セラミック成形体の体積分率Ｖｆが３０％であった。

＜金属基複合部材の熱膨張率の測定試験＞
前記の金属基複合部材について、熱膨張率の測定試験を行った。この熱膨張率の測定試験には、製造された金属基複合部材から切り出された円柱状のテストピース（直径４ｍｍ、高さ１５ｍｍ）が使用された。そして、熱膨張率の測定には、理学電気（株）製のＴＭＡ８４１０型の熱膨張率測定器が使用された。その結果を表１に示す。なお、表１中、「連続性」の欄には、使用されたセラミック成形体中に形成された球状セルの連続性の有無（後記する比較例における「セル」の連続性の有無）が記載されている。また、「均一性」の欄には、使用されたセラミック成形体における球状セルの分布の均一性の有無（後記する比較例における「セル」の分布の均一性の有無）が記載されている。

（比較例１）
発泡セラミック成形体（ＭＭＩ社製）を準備した。この発泡セラミック成形体は、連続孔を有する発泡性樹脂にセラミック粒子を担持させた後に、発泡性樹脂を焼失させると共にセラミック粒子を焼結させたものである。なお、セラミック粒子は、実施例１と同じＳｉＣが使用されている。

この発泡セラミック成形体について、実施例１と同様にして三次元ＣＴによる解析を行った。その結果、発泡セラミック成形体内には、連続する複数のセルが確認された。そして、相隣るセル同士は融合し合うと共に、セル同士は相互に共有する開口を介して繋がっていた。また、各セルの大きさ及び形状並びに発泡セラミック成形体におけるセルの分布は不均一となっていた。

そして、実施例１と同様にして、セルの内径のメジアン（Ｍ_D）及びセル同士を繋ぐ開口の内径のメジアン（Ｍ_d）を求めた。なお、セルの内径のメジアン（Ｍ_D）及び開口の内径のメジアン（Ｍ_d）は、セルの直径及び開口の直径を測定することによって求めた。その結果、セルの内径のメジアン（Ｍ_D）は、１００μｍであり、開口の内径のメジアン（Ｍ_d）は、２０μｍであった。つまり、この発泡セラミック成形体の（Ｍ_d／Ｍ_D）は、０．２となっていた。

また、この発泡セラミック成形体について、三次元ＣＴの解析データに基づいて、セルの内径のバラツキを求めた。その結果を図９に示す。

次に、この発泡セラミック成形体を使用して実施例１と同様にして金属基複合部材を製造した。この金属基複合部材は、発泡セラミック成形体の体積分率Ｖｆが３０％であった。そして、得られた金属基複合部材について、実施例１と同様にして熱膨張率を測定した。その結果を表１に示す。

（比較例２）
実施例１のセラミック成形体に充填した金属と同様の金属、つまりアルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＤＣ１２）中に、ＳｉＣからなるセラミック粒子を分散させた金属基複合部材を製造した。セラミック粒子の粒子径は、メジアンで１５μｍであった。また、アルミニウム合金へのセラミック粒子の分散量は、この金属基複合部材におけるセラミック粒子の体積分率Ｖｆが３０％になるように設定した。そして、得られた金属基複合部材について、実施例１と同様にして熱膨張率を測定した。その結果を表１に示す。

（比較例３）
ここでは有機微小球として、外径が９０μｍ（メジアン）のポリメチルメタクリレート樹脂からなる有機微小球（綜研化学社製、商品名ＭＲ−９０ＨＧ）を準備した。また、実施例１の「気化工程」の炉内の昇温速度を３０℃／時間に変更すると共に、炉内の圧力を４０Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にしてセラミック成形体を製造した。

次に、得られたセラミック成形体について、実施例１と同様にして三次元ＣＴによる解析を行った。その結果、セラミック成形体内には、無数の球状セルがセラミック成形体の全体にわたって均一に分布しており、相隣る球状セル同士が連通孔で連通し合っていることが確認された。また、各球状セルは、連通孔を介して相互に連通することによって三次元網目構造を形成していることが確認された。

そして、実施例１と同様にして、球状セルの内径のメジアン（Ｍ_D）及び連通孔の内径のメジアン（Ｍ_d）を求めたところ、球状セルの内径のメジアン（Ｍ_D）は、１００μｍであり、連通孔の内径のメジアン（Ｍ_d）は、５０μｍであった。つまり、このセラミック成形体の（Ｍ_d／Ｍ_D）は、０．５となっていた。

次に、このセラミック成形体を使用して実施例１と同様にして金属基複合部材を製造した。この金属基複合部材は、セラミック成形体の体積分率Ｖｆが３０％であった。そして、得られた金属基複合部材について、実施例１と同様にして熱膨張率を測定した。その結果を表１に示す。

（金属基複合部材の熱膨張率の評価及び考察）
表１から明らかなように、実施例１の金属基複合部材の熱膨張率は、比較例１、比較例２及び比較例３の金属基複合部材の熱膨張率と比較して小さいことが確認された。
実施例１の金属基複合部材が、比較例１及び比較例２と同じ体積分率Ｖｆのセラミック（比較例１では、セラミック成形体、比較例２では、分散セラミック粒子）を使用しているにも係わらずに熱膨張率が小さいのは、実施例１の金属基複合部材は、球状セルに充填された金属が球状になっているので、金属の熱膨張に異方性が生じないためであると考察される。また、実施例１の金属基複合部材の熱膨張率が小さいのは、金属が球状セルで拘束されると共に、金属が金属基複合部材内で三次元網目構造を形成するように分布することによって、金属が金属基複合部材内で均一に分布しているからであると考察される。
ちなみに、実施例１の金属基複合部材と比較例１の金属基複合部材との比較では、図９から明らかなように、実施例１の球状セルの内径は、比較例１のセルの内径と比較して、そのバラツキが小さい。そして、実施例１の球状セルの内径の分布がシャープなピークで現われているのに対し、比較例１のセルの内径の分布は、ブロードであり、しかも２つのピークが現われている。

そして、表１から明らかなように、実施例１の金属基複合部材の熱膨張率が、１２．３×１０^-6／Ｋであるのに対して、比較例３の金属基複合部材の熱膨張率は、１３．５×１０^-6／Ｋとなっており、実施例１の金属基複合部材は、比較例３の金属基複合部材と比較して熱膨張率が低減されている。
このように球状セルの内径のメジアン（Ｍ_D）に対する連通孔の内径のメジアン（Ｍ_d）の比（Ｍ_d／Ｍ_D）を０．５未満にすることによって熱膨張率が小さくなるのは、連通孔が延びる方向への金属の熱膨張が低減されるため、金属基複合部材内における金属の熱膨張が均一化されるためであると考察される。

実施形態に係るセラミック成形体を模式的に示す斜視図である。 図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、「球状セルの最密充填構造状の配列」を説明するための図である。 図１中のＡ−Ａ線における断面の様子を部分的に示した図である。 実施形態に係るセラミック成形体を使用して製造された金属基複合部材の図である。 実施形態に係るセラミック成形体の製造方法の工程説明図である。 実施形態に係るセラミック成形体の製造方法を構成する充填工程で製造される「セラミック粒子で被覆された微小球」の概念図である。 実施形態に係るセラミック成形体の製造方法を構成する充填工程で製造される成形体材料の概念図である。 実施形態に係るセラミック成形体の製造方法を構成する気化工程で製造される焼結用成形体の概念図である。 球状セルの内径（μｍ）と、セラミック成形体における球状セルの存在確率（％）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ セラミック成形体
２ 球状セル
３ 連通孔
５ 金属基複合部材
６ 金属
７ 三次元網目構造

Claims (2)

1. 球状の気泡である球状セルがその内部に複数形成されると共に、複数の前記球状セルが最密充填構造状となるように配列したセラミック成形体であって、
   相隣る前記球状セル同士が相互に離れて形成され、前記球状セル同士が連通孔を介して連通し合って三次元網目構造を形成しており、前記球状セルの内径のメジアン（Ｍ_Ｄ）に対する前記連通孔の内径のメジアン（Ｍ_ｄ）の比（Ｍ_ｄ／Ｍ_Ｄ）が０．５未満であることを特徴とするセラミック成形体。
2. 請求項１に記載のセラミック成形体の前記球状セル及び前記連通孔に金属が充填されていることを特徴とする金属基複合部材。

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