JPH0625775A

JPH0625775A - 傾斜機能材料の製造方法

Info

Publication number: JPH0625775A
Application number: JP20071092A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Minegishi; 岸敬一峯
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1992-07-03
Publication date: 1994-02-01

Abstract

(57)【要約】【目的】傾斜機能材料の寸法や形状に関する制約が少
なく、容積の大きい材料、柱状や筒状などの異形材料を
も容易に製造できる傾斜機能材料の製造方法を提供す
る。【構成】傾斜機能材料を構成する複数種の材料の粒子
１，２，３によって、空隙部が所定の方向に徐々に変化
する多孔質体を形成する第１工程と、この多孔質体の空
隙部に、残りの材料を液状で圧入したのちに硬化させる
第２工程とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、傾斜機能材料を製造す
る方法に関するものであり、特に、セラミックス−金属
系の傾斜機能材料の製造に適した方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、異種材料を組合わせた複合材料
においては、材料間の界面において特性が大きく異なる
ので、この特性のミスマッチが材料の劣化の主原因とな
る。このような問題に対しては、構成材料の混合組成を
連続的に変化させ、界面を傾斜させることが極めて有効
な解決手段であり、これを実現するために、近年、「材
質の傾斜化」という概念が提唱されている。

【０００３】この「材質の傾斜化」という概念に基づく
傾斜機能材料の設計、構造制御、評価技術の研究開発
は、国家プロジェクトを中心に進められている。具体的
には、宇宙往還機における遮熱構造部材として使用する
セラミックス−金属系超耐熱構造材料を開発目標とし、
その超音速飛行によって大気との摩擦で機体表面に発生
する熱応力には、耐熱性の高いセラミックスを対応さ
せ、機体内側の機械応力には金属を対応させるよう設計
するものである。

【０００４】従来、傾斜機能材料の製造方法としては、
下記の四種類の方法が提案されている。１．物理的蒸着法（ＰＶＤ）、あるいは化学的蒸着法
（ＣＶＤ）による気相法２．材料粉末の直接積層法、あるいは薄膜積層法による
粒子配列法３．溶射ガンを各材料に単独に、あるいは共通に用いる
溶射法４．自己発熱反応を等方加圧下で進行させることによ
り、セラミックスを合成し、同時に金属と燒結するガス
圧燃焼燒結法

【０００５】しかしながら、これら既提案の傾斜機能材
料の製造方法は、単一材料の製造に用いられている既存
の技術を応用したもので、膜状、あるいは板状の傾斜機
能材料の製造には非常に有効であるが、これらの方法に
よって得られる傾斜機能材料は寸法や形状が制限され、
容積の大きい材料、柱状や筒状などの異形材料を製造す
ることは困難である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、傾斜機能材料の寸法や形状に関する制約が
少なく、容積の大きい材料、柱状や筒状などの異形材料
をも容易に製造できる傾斜機能材料の製造方法を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】上記課題を解決
するため、本発明の傾斜機能材料の製造方法は、傾斜機
能材料を構成する複数種の材料のうちの少なくとも一種
によって、空隙部が所定の方向に徐々に変化する多孔質
体を形成する第１工程と、この多孔質体の空隙部に、残
りの材料を液状で圧入したのちに硬化させる第２工程と
からなることを特徴とするものである。

【０００８】本発明によるセラミックス−金属系傾斜機
能材料、特に、金属を基材とする同傾斜機能材料の製造
においては、金属の粉粒体によって空隙部が所定の方向
に徐々に変化する多孔質体を形成する第１工程と、この
多孔質体の空隙部に、セラミックス粉末のスラリーを圧
入したのちに硬化させる第２工程とが用いられ、また、
セラミックスを基材とする傾斜機能材料の製造において
は、セラミックスの粉粒体によって空隙部が所定の方向
に徐々に変化する多孔質体を形成する第１工程と、この
多孔質体の空隙部に、溶融金属を圧入したのちに硬化さ
せる第２工程とが用いられる。

【０００９】更に具体的に説明すると、金属を基材とす
る傾斜機能材料の製造においては、第１工程として、ま
ず、基材となる金属材料の粒子及び／又は粉末からなる
金属粉粒体を、その空隙（密度）が所定の方向に向けて
徐々に増加または減少するように成形する。この成形に
は、基材となる金属粉粒体に、従来から知られている各
種多孔質体の形成方法を適用し、あるいは手作業その他
の適宜方法を用いることができるが、次に列記するよう
な方法が適している。

【００１０】まず、一般的には、プレスにより粉粒体を
所要の空隙率分布が得られるように圧密する方法であ
る。この場合、粉粒体の粒径分布と圧密するために加え
る荷重によって、得られる多孔質体の空隙率は変化す
る。金属粒子のように球状に近い粉粒体を狭い範囲の粒
径に分級すると、粉粒体の充填状態は、概して空隙率３
９．５％を有する、幾何学的に斜方形に近い形式をと
り、空孔径は粒子径の１６〜２０％の範囲に収まること
が実験的に知られている。従って、空孔径に近い細かい
粒子を混合して、それらが空孔に充填されるように圧密
すれば、空隙率を減少させることができる。一方、プレ
スによる粉粒体の圧密に際して、加える荷重を部分的に
変化させることによって所要の空隙率分布が得られるこ
とは勿論である。上述した方法によって金属粉粒体を成
形した成形体は、それを燒結するなどの手段により粉粒
体相互を固定して、金属粉粒体の多孔質体を得る。

【００１１】また、水や、高分子材料（セルロース、ビ
ニル樹脂等）あるいはその他の適宜材料を結合剤とし
て、粉粒体を所要の空隙率分布において成形することも
できる。得られる多孔質体の空隙率は結合剤の多少によ
って決まるため、部分的に結合剤の含有率を変えること
により適宜空隙率分布を持たせることができるが、必要
ならば、上記プレスによる圧密や粉粒体の粒径分布の調
整等を併用することができる。その後、乾燥あるいは加
熱焼却などにより結合剤を除くと、金属粉粒体が所要の
空隙率分布で成形された多孔質体を得る。

【００１２】さらに、活性剤を含む水に空気を吹き込ん
で泡立て、これに粉粒体を混ぜて多孔体を成形すること
もできる。この方法は、比重の小さい材料に有利に利用
できるもので、発泡量と混合する粒子の量によって空隙
率が決まるため、それらの調整によって空隙率分布を持
たせることになる。

【００１３】上述した方法によって得られた金属粉粒体
の多孔質体は、次いで、第２工程として、十分な脱気を
行った後、別に用意したセラミックス粉末のスラリーを
それに圧入する。このスラリーの圧入は、上記多孔質体
の空隙が連続しているので、特に高圧等で圧入しなくて
も、容易に行うことができる。そして、圧入したセラミ
ックスを燒結すると、金属を基材とするセラミックス−
金属系傾斜機能材料が得られる。

【００１４】また、上記方法とは逆に、まず、セラミッ
クスの粉粒体によって、内部の空隙の分布が密から粗へ
徐々に変化するセラミックス多孔質体を製造し、この多
孔質体に溶融した金属を圧入して凝固させても、同様な
セラミックス−金属系傾斜材料を得ることができる。こ
の場合、多孔質体の成形は、金属粉粒体について説明し
た前述の方法を用いることができる。

【００１５】上述した第１工程において多孔質体を製造
するに際し、傾斜機能材料を構成する材料としては、金
属やセラミックスの１種のみを用いる場合に限らず、そ
の材料自体を複数種の混合体とし、あるいは更にその混
合体が複数の材料を傾斜的に混合したものとすることが
できる。また、第２工程においてその多孔質体の空隙に
圧入する材料についても同様である。

【００１６】図面を参照して上述した第１工程の一例を
説明すると、図１及び図２に示すように、球状に近い金
属粒子あるいはセラミックス粒子で粒径がほぼ一定の基
準径粒子１と、その基準径粒子の間に形成される空孔に
入る程度の径（基準径粒子の径の約１０〜２５％）を有
する空孔充填粒子２と、更にそれらの粒子１，２間に充
填されるような細隙充填粒子３を用い、基準径粒子１の
みを充填した空隙率が大きい第１部分１１と、基準径粒
子１と空孔充填粒子２とを混合して充填した第２部分１
２と、上記各粒子１，２，３を充填した空隙率がもっと
も小さい第３部分１３とを作成し、それらをプレスによ
って圧密し、あるいはそれらの間をポリビニルアルコー
ル溶液等を結合剤として接合させる。第１ないし第３部
分１１〜１３の各中間部分は、更に中間的な空隙率にな
るように各粒子の混合量を調整することができる。

【００１７】これによって得られた成形体は、燒結によ
って多孔質燒結体とし、次いで十分に脱気した後、別に
用意したセラミックス粉末のスラリーを空隙部に圧入し
て燒結し、あるいは溶融金属を圧入、固化させることに
より、セラミックス−金属系傾斜機能材料を得る。

【００１８】上記多孔質体を形成する金属粒子として
は、一般的に、鉄、銅、ニッケル、モリブデン、銅合
金、チタン合金、アルミニウム及びその合金、高速度鋼
やステンレスその他の各種合金鋼、酸化物分散合金など
からなる金属の粒子または切断片を用いることができ
る。また、セラミックス多孔質体に圧入する金属として
は、上述した金属の中で比較的融点の低いもの、例え
ば、アルミニウムやその合金、銅及び銅合金、あるいは
鋳鉄の他、鉛、亜鉛、等を用いることができる。

【００１９】一方、上記多孔質体を成形するためのセラ
ミックスとしては、例えば、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、
ムライト（３Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ ）、コーディエラ
イト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・５ＳｉＯ₂ ）、部分安
定化ジルコニア（ＰＳＺ）、複合酸化物、窒化珪素（Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、サイアロン
（Ｓｉ_6-Z Ａｌ_Z Ｏ_Z Ｎ_8-Z 、ｚは正数）、炭化珪素
（ＳｉＣ）などを、単独または複合化して用いることが
できる。また、金属粉粒体からなる多孔質体にセラミッ
クスをスラリーとして圧入する場合にも、これらが粉末
化したうえでスラリーとして用いることができるが、そ
の燒結温度が多孔質体を形成する金属の融点よりも低い
ものを選定する必要がある。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。結合剤
としてパラフィン系バインダを用い、径が２０〜１２０
μｍ程度のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる金属
粒子を用い、上記結合剤の量を金属粒子に対して５〜３
０Vol.％の範囲で段階的に変化させて金属粒子を接合し
た５種類の成形体をプレス法により作製し、それらを順
次積層、圧密後、５００〜６００℃で脱脂した。これに
引き続いて、水素雰囲気１３７０℃で燒結した。これに
よって、空隙率がほぼ３％から２０％にわたって変化す
る多孔質体を得ることができた。

【００２１】次いで、その多孔質体に、平均粒径が０．
３μｍ程度の部分安定化ジルコニアを水でスラリー化し
て圧入し、それを常圧雰囲気で１３５０℃に２時間程度
加熱することにより燒結した。その結果、ステンレスの
粒子に富む側において耐衝撃性に富み、セラミックスに
富む側において耐熱性、耐摩耗性をもち、その間で両性
質が次第に変化するようなセラミックス−金属系傾斜機
能材料を得ることができた。

【００２２】

【発明の効果】以上に詳述した本発明のセラミックス−
金属系傾斜機能材料の製造方法においては、金属粉粒体
またはセラミックス粉粒体を、空隙が適宜方向に漸増ま
たは漸減するように燒結して多孔質体を形成し、次いで
この多孔質体にセラミックスのスラリーまたは溶融金属
を圧入するので、セラミックス−金属系傾斜機能材料の
寸法や形状に関する制約が少なくなって、大型や異型の
材料を容易に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づいて製造される多孔質体の一例を
示す断面図である。

【図２】全体を筒状に形成した上記多孔質体の他の形状
例を示す断面図である。

【符号の説明】

１，２，３粒子、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】傾斜機能材料を構成する複数種の材料のう
ちの少なくとも一種によって、空隙部が所定の方向に徐
々に変化する多孔質体を形成する第１工程と、この多孔質体の空隙部に、残りの材料を液状で圧入した
のちに硬化させる第２工程と、からなることを特徴とす
る傾斜機能材料の製造方法。
【請求項２】金属の粉粒体によって、空隙部が所定の方
向に徐々に変化する多孔質体を形成する第１工程と、この多孔質体の空隙部に、セラミックス粉末のスラリー
を圧入したのちに硬化させる第２工程と、からなること
を特徴とする傾斜機能材料の製造方法。
【請求項３】セラミックスの粉粒体によって、空隙部が
所定の方向に徐々に変化する多孔質体を形成する第１工
程と、この多孔質体の空隙部に、溶融金属を圧入したのちに硬
化させる第２工程と、からなることを特徴とする傾斜機
能材料の製造方法。