JPH0122334B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は無機質繊維を強化材とし、金属または
合金（以下金属類と略称する）をマトリツクスと
する機械強度のすぐ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、炭素繊維、
シリカ繊維、シリコンカ―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。 無機質繊維と金属類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生じ、脆
化層が生ずる。このため複合材料の強度は低下
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則から150
Kg／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150
Kg／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金属複合材料では、たかだ
か30〜40Kg／mm²程度の強度しか与えない。これは
前述した様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、現実に効果の認められて
いる方法は殆んど見当らない。 また、特開昭51−70116号公報にはアルミニウ
ムマトリツクス中にリチウムを数％添加する事に
より、繊維強化金属複合材料の機械強度が向上す
る事を述べている。しかし、この方法は、無機繊
維がマトリツクス金属類と全く濡れないか、反応
しない場合には有効であるが、無機繊維がマトリ
ツクス金属類と反応して劣化する時には無効であ
る以上に逆に強度低下をもたらす傾向にある。 以上に示すごとく容易かつ安価な方法で繊維強
化金属複合材料の繊維強度を向上させるに到つて
いないのが現状である。 シリコンカーバイド繊維は、強度、弾性率が高
く、密度が低い特徴を有し、繊維強化金属複合材
料の強化繊維として好適なものであるが、有機ケ
イ素高分子化合物から合成されるシリコンカーバ
イド繊維は、製法上繊維中に0.01〜40重量％の遊
離の炭素を含有する。この遊離の炭素がマトリツ
クス金属と反応する事により、シリコンカーバイ
ド繊維強化金属複合材料の強度が理論強度よりか
なり低下する事が問題であつた。 本発明者らは、これらの現状から、シリコンカ
ーバイド繊維強化金属複合材料の強度を向上させ
るためには、シリコンカーバイド繊維とマトリツ
クス金属類の界面での反応によるシリコンカーバ
イド繊維の劣化を防止すればよいのであり、それ
を安易且つ安価に実施し得る方法を鋭意検討し
た。 その結果、シリコンカーバイド繊維の表面を、
ビスマス、バリウム、ストロンチウムおよびセシ
ウムからなる群から選ばれる金属元素の少くとも
１種以上にて被覆した後、マトリツクスとなる金
属類と複合化する事により、シリコンカーバイド
繊維とマトリツクス金属類との反応によるシリコ
ンカーバイド繊維の劣化を防止する事ができ、こ
の金属類をマトリツクスとした複合材料の機械強
度が飛躍的に向上することを見い出し本発明に至
つた。 以下に本発明を詳細に説明する。 本発明に用いられるシリコンカーバイド繊維
は、実質的に繊維全体が、シリコンカーバイドか
ら成つていても、他の材質からなる繊維を被覆す
る形のもののいずれでもよいが、シリコンカーバ
イド質中に0.01〜40重量％の遊離の炭素を含有す
るものである。 本発明複合材料中に含まれるシリコンカーバイ
ド繊維の割合は特に限定されるものではないが、
好ましくは15〜70溶積％の範囲である。15容積％
以下では強化効果が小さく、70容積％以上では、
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、短繊維いずれをも使用す
る事ができ、目的、用途に応じていずれか、また
は両者を同時に使用できる。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する事が出来
る。 本発明に用いられるマトリツクス金属類として
好適なものはアルミニウム、マグネシウム、金属
またはそれらの合金などである。軽量かつ高強度
が要求される場合には、アルミニウムやマグネシ
ウム金属またはそれらの合金をマトリツクスとす
る系が好適である。本発明でいうこれらの金属類
は通常の使用にさしつかえない範囲で少量の不純
物元素を含有していてもさしつかえない。 前記シリコンカーバイド繊維をビスマス、バリ
ウム、ストロンチウムおよびセシウムからなる金
属元素の少くとも１種にて被覆する事によりシリ
コンカーバイド繊維は安定な保護層を有する事に
なりマトリツクス金属と繊維の接触を防止し、高
い機械強度を有した繊維強化金属複合材料を与え
る訳である。ここに挙げた金属元素が特に有効で
あるのは、次の理由にあると考えられる。 こゝにあげられている金属元素は金属類に添加
されるとその金属類の表面におけるこれら添加元
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、これら金属元素の含まれる
系の表面張力がアルミニウムの表面張力より低く
なる事により知れる。 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高くなつているため
である。 この機構のため、これらの金属元素により表面
を被覆されたシリコンカーバイド繊維をマトリツ
クス金属類と複合化した後も、マトリツクス金属
類中に全量が拡散してなくならず、繊維／マトリ
ツクス界面に存在していると考えられる。 次にこれら金属元素で表面を被覆されたシリコ
ンカーバイド繊維と金属類の複合材料の破断面を
走査型電子顕微鏡で観察すると、ビスマスで被フ
クされた繊維の周囲は、被覆金属元素のない系と
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
金属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。即ち本発明のこれら金属元素
は、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ものと考えら
れる。 一方、バリウム、ストロンチウムおよびセシウ
ムの少くとも１種の金属元素で被覆されたシリコ
ンカーバイド繊維で強化した繊維強化金属複合材
料はヒフク金属元素のない系と比較して繊維／マ
トリツクス界面の結合は弱くなつていないにも拘
らず、繊維の外周面に見られたマトリツクス金属
との反応相は消失しているなどの現象が見られ
る、この複合材料から塩酸水溶液を用いて、マト
リツクス金属を溶解除去して取り出した繊維の強
度を測定したところ、複合化前の繊維強度と比較
して該金属元素のない系では約半分の強度まで低
下しているのに対し、これらの金属元素の存在す
る系では強度の低下は殆んど認められなかつた。 以上の事から、これら金属元素は繊維と単層で
反応し、安定な層を形成することによつて繊維と
マトリツクス金属類との反応を抑制する働きを有
し、従つて複合材料の強度が飛躍的に向上するも
のと考えられる。 前記シリコンカーバイド繊維に前記金属元素の
被覆を形成する方法として種々の方法を取り得
る。すなわちその主なものとして(1)電気メツキ、
(2)無電界メツキ、(3)真空蒸着、(4)スパツタリング
蒸着、(5)化学蒸着、(6)プラズマスプレー法、(7)デ
イスパージヨン浸漬法などが例示される。 (7)のデイスパージヨン浸漬法には、金属粉末を
溶媒に懸濁して付着させる方法、金属元素の無機
または有機化合物を適当な溶媒に懸濁して無機繊
維表面上に付着させた後熱分解または化学的な処
理によつて、金属元素を無機繊維表面に析出させ
る方法も包含する。 これらの金属元素の無機化合物または有機化合
物としては種々のものが取り得るが、一例を挙げ
れば、下記のようなものが有効である。ハロゲン
化物、水素化物、酸化物、水酸化物、硫酸化物、
硝酸化物、炭酸化物、塩素酸化物、炭化物、窒化
物、燐酸化物、燐化物、硫化物、アルキル化物、
有機酸化物、アルコラートなどである。 被膜の厚みは、好ましくは20Å以上1μm以下で
ある。被膜の厚みが20Åより薄い場は、効果が顕
著に認められない。被膜の厚みが1μmより厚い場
合はそれ以下の時と効果において余り変りなく、
塗膜が剥離欠落するような事も発生するので好ま
しくない。 本発明複合材料は、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)粉末治金（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。 本発明の効果が特に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場合である
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
工法上も既存の設備、方法を何ら変更することな
く本発明を実行できることは実生産上からも非常
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によつ
て限定されるものではない。 実施例 １ 平均繊維径15μm引張り強度220Kg／mm²、引張り
弾性率20000Kg／mm²の遊離炭素を含有するシリコ
ンカーバイド繊維の表面に、真空蒸着法により約
500Åの厚さにビスマス、バリウム、ストロンチ
ウム、セシウムの被膜を形成した。この金属被覆
されたシリコンカーバイド繊維をアルゴンガス雰
囲気下で100mmの長さに切りそろえ束ねてそれぞ
れ内径４mmの鋳型管に平行に引き入れた。次いで
アルゴンガス雰囲気中で700℃に保つた上記アル
ミニウム（純度99.99％）の溶融体の中に鋳型管
の一端を浸し、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アルミニウム
を浸透させ、これを冷却することによつて繊維強
化金属複合材料を得た。繊維体積含有率は50±１
％になるように調整した。また比較のため表面被
覆していないシリコンカーバイド繊維を用いてア
ルミニウム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、曲げの弾性率を測定した。結果を第１表に示
すが比較例と較べて著しく強度が向上していた。

【表】 実施例 ２ 実施例１で用いられたのと同じシリコンカーバ
イド繊維の表面にプラズマスプレー法により、約
1000Å厚みのビスマスの被膜を形成した。マグネ
シウム（純度99.99％）をアルゴン雰囲気下約700
℃の温度で溶融し、上記シリコンカーバイド繊維
を用いて、実施例１に記載の方法で繊維体積含有
率50％の繊維強化金属複合材料を作製した。この
複合材料の室温における曲げ強度を測定した結
果、58.7Kg／mm²であつた。一方表面処理をしてい
ないシリコンカーバイド繊維を用いてマグネシウ
ムと複合化したものの、曲げ強度は、29.4Kg／mm²
であり、著しい効果が認められた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 遊離炭素を含むシリコンカーバイド繊維を強
   化材とし、アルミニウム及びマグネシウムから選
   ばれる少なくとも１種の金属またはそれらの合金
   からなる繊維強化金属複合材料において、該強化
   繊維の表面をビスマス、バリウム、ストロンチウ
   ムおよびセシウムからなる群から選ばれる金属元
   素の少なくとも１種にて被覆した後、マトリツク
   スとなる金属またはそれらの合金と複合させる事
   を特徴とする機械強度に優れる繊維強化金属複合
   材料の製造方法。 ２ ビスマス、バリウム、ストロンチウムおよび
   セシウムからなる群から選ばれる金属元素の無機
   化合物及び有機化合物の少なくとも１種にて遊離
   炭素を含むシリコンカーバイド繊維の表面を被覆
   した後、還元する事により、金属元素単体を析出
   させてからマトリツクスとなる金属またはそれら
   の合金と複合させる事を特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の繊維強化金属複合材料の製造方
   法。