JPH04231436A - ダイヤモンド含有材料及びダイヤモンド含有材料製品の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複合材料に関するも
ので、特に非常に高い剛性を持つ軽量複合材料及び、こ
の軽量不駆動材料を用いた製品の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】軽量で高強度の材料としては、既に多く
の種類のものが知られており、これらの材料は製品の製
造や構造材として使用されている。これらの材料のうち
複合材と呼ばれる材料は、二つ以上の異なる材料の混合
物又は集合物を化学的接着剤以外の接着剤により接着し
て構成され、複合材料の各構成材料は特有の特性を複合
材料に与えることにより、複合材料全体特性が各構成材
料を単体で用いた場合の特性に較べて優れた特性を示す
。特定の製品、構成部材、構造材料に単独又は複合して
用いられる材料は、通常、製造する製品、構成材料又は
構造材料において要求される強度、耐摩耗性、耐腐食性
、及び他の外部的な影響に対する耐性を得るために必要
とされる属性及び特性に応じて選択される。

【０００３】ほとんどの現実的な使用において、材料の
生産コストや製品への製造コストは重要な事項であり、
材料選択における重要な要素となっている。しかしなが
ら、例えば、航空学的、宇宙航空学や深海の分野等の幾
つかの例外的な使用においては、コストの問題は二次的
なものとされ、製品の宇宙への搬送コストや、製品が航
空飛行帰還船に使用される場合の反復飛行コスト等の他
の問題が重要視されることになる。特に、こうした使用
において、所望の特性を犠牲にすることなく、重量を最
小とするすることが望ましい。

【０００４】このため、例えば、高性能ミラや高性能構
造材は厳しい温度及び／又は環境条件の下で安定し、か
つ信頼性のあるものでなければならず、従って、高い熱
伝導性と、小さい熱膨張と、高い剛性及び放射線強度を
有していなければならない。高エネルギレーザ用及び軌
道監視用の高性能ミラも、宇宙工学及びその他の航空機
や衛星の構造において要求されるのと同様の非常に高い
安定性及び硬度が要求される。現状において、好ましい
物質とされているものは、レーザ用ミラの材料として用
いられているモリブデン、けい素、炭化けい素及び航空
宇宙技術において用いられているベリリウム及び炭化け
い素等である。

【０００５】ダイヤモンドは、これらの物質の性能を劇
的に向上する。特にその固有硬度により熱に対して安定
でかつ可及的軽量な機械的構造に用いることが望まれる
。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ダイヤ
モンドは、コスト面及び使用に適したサイズのダイヤモ
ンドを合成する技術が確立していないため、実質的には
所定の割合をこえて使用することは不可能となっている
。

【０００７】このため、現在使用が可能な材料のうちで
最も高い硬度を持つベリリウムが頻繁に用いられている
。残念ながら、このベリリウムも、純粋なダイヤモンド
ほどではないが、相当に高価なものとなっており、しか
も製造者の健康への影響が懸念されるとともに、製造に
約摂氏１２００度の高温が必要である。さらに、ベリリ
ウムは異方性結晶を形成するため、構造材、構造部材、
ミラ等の製品に使用した場合に、熱的に、部分的に及び
研磨作業上において不安定さをしめすことがある。 こうしたことは、等方向性を有するダイヤモンドを使用
した場合には、生じることがない。

【０００８】本発明は、上記した従来技術における問題
点を解決して、優れた性能の材料を提供することを目的
としている。

【０００９】さらに、本発明の目的は、従来の材料の持
つ問題を有しない、軽量で高強度な材料を提供すること
にある。

【００１０】本発明のさらにもう一つの目的は、製造す
る製品の寸法及び形状にかかわらず多くの種類の製品の
製造に適する材料を提供することにある。

【００１１】またさらに、本発明のもう一つの目的は、
本発明により提供される材料により、いかなる寸法、形
状の製品をも製造することが出来る方法を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第一の構成によれば、ダイヤモンド粉末
と該ダイヤモンド粉末間の間隙に浸透して接合するよう
に前記ダイヤモンド粉末が埋め込まれる金属材料製基材
とによって構成される非常に高い対重量硬度を有する複
合材料が提供される。

【００１３】なお、前記基材を構成する金属材料がアル
ミニウム又はマグネシウム等の比較的密度の低い金属よ
り選択することが望ましい。また、所望の性能を得るた
めに、前記複合材料に含有されるダイヤモンドの組成比
が８０％乃至９５％の範囲とすることが好ましい。

【００１４】本発明の第二の構成によれば、ダイヤモン
ド粒子を金属材料の微粉末と混合して所定のダイヤモン
ドと金属材料の混合比率の混合体を形成し、該混合体を
閉塞空間内に収容し、前記閉塞空間を減圧し、前記閉塞
空間内の混合体を加圧状態で加熱してダイヤモンド粒子
間を前記金属材料で結合して金属材料中に前記ダイヤモ
ンド粒子を埋め込んだ複合材料製製品を形成することを
特徴とする複合材料製品の製造方法。

【００１５】なお、前記の閉塞空間内における加圧下で
の加熱工程により、少なくとも最終製品の形状に対応し
た複合材料成形体に形成するようにすることが出来る。 この場合、前記加圧下における加熱工程が、摂氏５００
度乃至１２００度の温度範囲で、約１５００ｐｓｉの圧
力で行うことが出来る。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明に関して詳述する。本発明に
よれば、ダイヤモンド粉末を種々の適当な基材材料、好
ましくは金属又は合金製の基材材料に埋め込んだ固形混
合物で構成される複合材料が提供される。ダイヤモンド
は、ずべての現在知られている材料中で化学的に最も不
活性な材料であるため、金属を含むあらゆる材料と、反
応を生起することなく混合することが出来る。このダイ
ヤモンドの特性により、非常に正確な組成比の複合材料
を形成するためのダイヤモンドと他の材料の混合物を形
成することが出来る。混合物は、組成比に応じた拡張性
、導伝性、弾性強度等の材料の特性が非線形であるが滑
らかに変化するように従来より知られている混合規則に
従って混合形成される。基材材料として金属が用いられ
る場合、金属材料は高い熱導伝性及び導電性を有する基
材を形成し、不活性なダイヤモンド粉末は位置的に固定
した状態で埋め込まれる。これらの混合物に、付加的な
材料を添加することも可能であり、この付加材料を製品
製造後に溶解して除去することにより気孔率の明確な多
孔構造を形成して非常に高い熱交換性能及び触媒性能、
イオン交換性能を得る事が出来、好ましくない有機媒体
雰囲気の改善等に用いることが出来る。

【００１７】本発明により製造される複合材料は、純粋
ダイヤモンドに較べて相当に安価で、かつ純粋ダイヤモ
ンドに近い非常に高い性能を有している。ダイヤモンド
粉末と一又は複数の低密度金属粒子の混合物は、非常に
硬度の高い、かつ熱及び電気の導伝性を有し、さらに低
い熱膨張性及び比較的低い成形温度を有する固体単位を
形成する。こうしたダイヤモンドと低密度金属混合固体
によって、他の材料では達成し得ない構造材としての使
用や、熱／機械的な使用が可能となる。

【００１８】本発明の他の構成によれば、ダイヤモンド
複合材料はダイヤモンドと金属の混合物で形成され、減
圧モールド又は他の減圧空間に封入して高温、高圧かを
負荷してダイヤモンド粒子間の間隙に金属を浸透させる
。次いで、処理された複合材料を冷却して、金属材料内
にダイヤモンドを埋め込み、ダイヤモンド粒子間を結合
させて、固形体を形成する。モールドキャビティにより
減圧空間を形成する場合、モールドキャビティの形状及
び又はキャビティ内に配設されるマンドリルの形状を適
切に選択することによって、及び／又はキャビティ内に
収容された混合物に所要の圧力を負荷する手段によって
、製造する最終製品の形状又は最終製品に非常に近い形
状に成形することが出来る。これにより、最終製品を得
るための研削、研磨等の機械加工工数を減少することが
可能となる。

【００１９】前述したように、本発明においては、金属
、金属の混合物等の材料を基材の形成材料として用いる
ことが出来る。上記に説明したように、マグネシウムや
アルミニウムを基材材料とするこの種の複合材料は、ベ
リリウムの加工温度に較べて相当に低温の摂氏５５０度
で、１５０００ｐｓｉの圧力（より低い圧力による成形
も可能である）で成形される。経験的に上記の温度及び
圧力のパラメータはマグネシウム又はアルミニウムを基
材材料として用いる場合に適切なものとされるが、実際
のこれらのパラメータの選択は、基材材料として使用す
る材料、成形する形状の複雑さや、他の要素に応じて適
宜選択されるものである。この場合、必須とる条件は、
基材を形成する金属が使用する圧力による加圧下で、流
動してダイヤモンド粒子間に浸透出来る温度、一般的に
は、使用する温度は、使用する金属の可塑変形点が、最
低温度となり、ダイヤモンド粒子の炭素質がグラファイ
ト化する温度を最高温度とする温度範囲によって加熱す
ることのみである。従って、マグネシウム又はアルミニ
ウムを基材とした場合の好ましい温度範囲は、摂氏５０
０度乃至摂氏１２００度となる。ダイヤモンドの混合物
における成分量は、８０乃至９５％の範囲で出来る限り
高いものを選択して、粒子間の接合を確実とし、その特
性を純粋ダイヤモンドの特性に近いものとする。

【００２０】非合金性又は非反応性の混合物は、単純な
混合規則により予測可能である。複合材料の特性は、組
成成分に応じて非常に一義的に変化する傾向がある。従
って、上記の高いダイヤモンド粒子組成比を持つ複合材
料は、純粋ダイヤモンドに非常に近い硬度を示す。

【００２１】複合材料によるミラを製造した場合の、主
要な特性は、以下の表１に示されている。値は、上記し
た材料及びダイヤモンドに含まれる。

【００２２】

【表１】

【００２３】上記のように、ダイヤモンドは同様の用途
に使用した場合に、他の材料に較べて熱安定性及び重量
を劇的に改善する。前述したように、現在の技術におい
てはダイヤモンドを十分に大きなサイズで形成すること
は出来ない。本発明の方法によって製造された複合材料
は、純粋ダイヤモンドによって達成される利点の殆どが
達成される。従って、本発明による複合材料は、コスト
に較べて大きな性能を有する。

【００２４】また、アルミニウムやマグネシウム等の低
密度の金属を用いることによって、ダイヤモンドを含有
する複合材料を、ベリリウムの加工温度の約半分の温度
で製造することが出来るとともに、等方向性を改善する
ことが出来る。上記のように、本発明によるダイヤモン
ド含有複合材料は、高い性能、低い製造温度、熱及び部
分的な不安定性の低い影響性、無毒性の面で、現在最良
の材料と考えられているベリリウム及び炭化けい素より
も、優れている。

【００２５】本発明による複合材料による優れた特性に
より、性能、安定性、及び／又は重量の軽減を得ること
が出来る。例えば、ダイヤモンドは、ベリリウムに較べ
て約２倍の固有硬度を有しており、より軽量のデザイン
に使用することが出来るので、製造上の要求を満足する
ことが出来、観測衛星において在来のものに較べて大き
なより資料採集性能の持つ捕集孔を形成することが可能
となる。

【００２６】また、衛星の重量における衛星自体の重量
と有効負荷の重量が半々となっている場合には、ベリリ
ウムに変えてダイヤモンドを用いることにより、有効負
荷の重量を衛星の全重量の５０％を越えるものとするこ
とが出来る。粉末ダイヤモンドの原価は比較的安価であ
るので、こうした複合材料は、宇宙船、極超音速ミサイ
ル等の機体に用いる事が出来、有効負荷の積載性能等に
おいて優れた性能を発揮する。

【００２７】また、冷却が必要な場合には、ダイヤモン
ドの他の材料に較べて高い熱伝達性及び小さい熱膨張性
により高い熱交換性能を発揮するので、他の材料によっ
ては達成し得ない高い性能を得ることが出来る。このた
め、この複合材料は、冷却ミラのほか、核反応装置に用
いることも可能となる。

【００２８】

【発明の効果】上記のように本発明によるダイヤモンド
複合材料は、以下に述べるような利点を有している。

【００２９】すなわち、本発明によるダイヤモンド複合
材料はベリリウム、炭化けい素に較べて非常に高い固有
強度、銅よりも高い熱伝達性、非常に小さい熱膨張、優
れた耐放射線強度、無毒性を発揮する。また、本発明に
よれば、複合材料の製造と同時に所望の製品の最終形状
を得る事が出来、また、その製造温度をベリリウムの加
工温度の約半分の温度とすることが出来る。

【００３０】なお、本発明は、上記の構成に限定される
ものではなく、特許請求の範囲に記載した要件を逸脱し
ないすべての構成を包含するものである。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ダイヤモンド粉末と該ダイヤモンド粉
   末間の間隙に浸透して接合するように前記ダイヤモンド
   粉末が埋め込まれる金属材料製基材とによって構成され
   る非常に高い対重量硬度を有する複合材料。
2. 【請求項２】　　前記基材を構成する金属材料がアルミ
   ニウムである請求項１の複合材料。
3. 【請求項３】　　前記基材を構成する金属材料がマグネ
   シウムである請求項１の複合材料。
4. 【請求項４】　　前記複合材料に含有されるダイヤモン
   ドの組成比が８０％乃至９５％の範囲である請求項１の
   複合材料。
5. 【請求項５】　　ダイヤモンド粒子を金属材料の微粉末
   と混合して所定のダイヤモンドと金属材料の混合比率の
   混合体を形成し、該混合体を閉塞空間内に収容し、前記
   閉塞空間を減圧し、前記閉塞空間内の混合体を加圧状態
   で加熱してダイヤモンド粒子間を前記金属材料で結合し
   て金属材料中に前記ダイヤモンド粒子を埋め込んだ複合
   材料製製品を形成することを特徴とする複合材料製品の
   製造方法。
6. 【請求項６】　　前記基材を構成する金属材料がアルミ
   ニウムである請求項５の方法。
7. 【請求項７】　　前記基材を構成する金属材料がマグネ
   シウムである請求項５の方法。
8. 【請求項８】　　前記の閉塞空間内における加圧下での
   加熱工程により、少なくとも最終製品の形状に対応した
   複合材料成形体に形成する請求項５の方法。
9. 【請求項９】　　前記加圧下における加熱工程が、摂氏
   ５００度乃至１２００度の温度範囲で、約１５００ｐｓ
   ｉの圧力で行われる請求項５の方法。
10. 【請求項１０】　　前記複合材料に含有されるダイヤモ
    ンドの組成比が８０％乃至９５％の範囲である請求項５
    の方法。