JPH11228262A - 金属−セラミックス複合材料及びその製造方法 - Google Patents

金属−セラミックス複合材料及びその製造方法

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JPH11228262A
JPH11228262A JP3657798A JP3657798A JPH11228262A JP H11228262 A JPH11228262 A JP H11228262A JP 3657798 A JP3657798 A JP 3657798A JP 3657798 A JP3657798 A JP 3657798A JP H11228262 A JPH11228262 A JP H11228262A
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ceramic
aluminum alloy
ceramic powder
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JP3657798A
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Hiromasa Shimojima
浩正 下嶋
Mitsuyoshi Kimura
光良 木村
Kazunari Naito
一成 内藤
Mutsuo Hayashi
睦夫 林
Heishiro Takahashi
平四郎 高橋
Takeshi Higuchi
毅 樋口
Tomikazu Koyama
富和 小山
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SERANKUSU KK
Taiheiyo Cement Corp
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SERANKUSU KK
Taiheiyo Cement Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の金属−セラミックス複合材料は、耐熱
性に劣っていた。 【解決手段】 セラミックス粉末が、SiC、Al23
またはAlN粉末から成り、金属が、Ti、Crまたは
Mnを含むアルミニウム合金から成ることとした金属−
セラミックス複合材料。セラミックス粉末から成るプリ
フォームに、あるいは型枠内に充填したセラミックス粉
末にTi、CrまたはMnを含むアルミニウム合金を浸
透させることとした金属−セラミックス複合材料の製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属に強化材を複
合させた金属−セラミックス複合材料及びその製造方法
に関し、特に耐熱性を向上させた金属−セラミックス複
合材料及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】セラミックス繊維または粒子で強化され
たセラミックスと金属の複合材料は、セラミックスと金
属の両方の特性を兼ね備えており、例えばこの複合材料
は、高剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等のセラミックスの
優れた特性と、延性、高靱性、高熱伝導性等の金属の優
れた特性を備えている。このように、従来から難しいと
されていたセラミックスと金属の両方の特性を備えてい
るため、機械装置メーカ等の業界から次世代の材料とし
て注目されている。
【0003】この複合材料、特に金属としてアルミニウ
ムをマトリックスとする複合材料の製造方法は、粉末冶
金法、高圧鋳造法、真空鋳造法等の方法が従来から知ら
れている。しかし、これらの方法は、強化材であるセラ
ミックスの含有量を多くできない、あるいは大型の加圧
装置が必要である、もしくはニアネット成形が困難であ
る、コストが極めて高いなどの理由により、いずれも満
足できるものではなかった。
【0004】そこで最近では、上記問題を解決する製造
方法として、米国ランクサイド社が開発した非加圧金属
浸透法が特に注目されている。この方法は、SiCやA
23などのセラミックス粉末で形成されたプリフォー
ムに、Mgを含むアルミニウムインゴットを接触させ、
これをN2雰囲気中で700〜900℃に加熱して溶融
したアルミニウム合金をプリフォームに含浸させる方法
である。これは、MgとN2との化学反応を利用してセ
ラミックス粉末への溶融金属の濡れ性を改善することに
より、加圧しなくても金属をプリフォームに含浸できる
ようにした優れた方法である。
【0005】また、この方法では、セラミックスの含有
率を30〜85vol%と広く、かつ高い範囲まで変え
ることができ、しかも、この方法で形成されたプリフォ
ームは、その形状の自由度が高いので、かなり複雑な形
状をニアネットで作ることも可能である。このようにこ
の方法は、加圧装置が不要であり、セラミックスの含有
率を高くすることができ、ニアネット成形も可能となる
方法であるので、前記した問題が解決される優れた方法
である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法で作製した複合材料は、耐熱性に劣ることに問題があ
った。それは、一つは、Mgを含むAl−Mg系の合金
は、Mgが35.0%のところに450℃の共晶点があ
るため融点が低いことであり、この合金はAl−5Mg
で570℃程度、Al−10Mgで500℃程度である
ため、変形を起こさずに使える温度は、荷重によっても
異なるが最高450〜500℃程度であり、融点が67
0℃程度であるAlに比べて100℃以上も低くなるこ
とである。
【0007】また、二つ目は、蒸気圧が極めて低く、揮
発し易いことであり、そのため、400℃以上の温度下
では、高真空度を達成するのが難しく、かつ常圧に戻し
た際に揮発したMgが凝固し、ダストとして発生してし
まうことである。さらに、三つ目は、セラミックス粉末
がSiCの場合、AlとSiCが反応して炭化アルミニ
ウム(Al43)を生成し、このAl43が常温で空気
中の水分と容易に反応して水酸化アルミニウムとなり、
複合材料の物理的特性を著しく劣化させることであり、
それを防ぐためにアルミニウム金属中には必ずSiの含
有が必要であった。そして、Al−Si系においてSi
が11.6%のところに577℃の共晶点があるため融
点がさらに低くなり、Al−5Mg−12Siで450
℃程度にすぎなかった。
【0008】この耐熱性を改善するため、発明者等はア
ルミニウム合金中のSiやMgの含有量を極力減らすこ
とで対応してきた。しかし、Mgを少なくすると当然金
属の浸透時間が長くなるという問題があり、また、浸透
時間が長くなると複合材料中にポアや未浸透部分が発生
し易いという問題もあった。
【0009】本発明は、上述したセラミックスと金属の
複合材料が有する課題に鑑みなされたものであって、そ
の目的は、耐熱性を改善することのできる金属−セラミ
ックス複合材料を提供しその製造方法をも提供すること
にある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、マトリックスである
アルミニウム合金中にTi、CrまたはMnを含有させ
れば、耐熱性を改善することのできる金属−セラミック
ス複合材料が得られるとの知見を得て本発明を完成する
に至った。
【0011】即ち本発明は、(1)セラミックス粉末に
金属を浸透させた金属−セラミックス複合材料におい
て、該セラミックス粉末が、SiC、Al23またはA
lN粉末から成り、該金属が、Ti、CrまたはMnを
含むアルミニウム合金から成ることを特徴とする金属−
セラミックス複合材料(請求項1)とし、また、(2)
アルミニウム合金が、Ti、CrまたはMnを0.5〜
20重量%含むアルミニウム合金であることを特徴とす
る請求項1記載の金属−セラミックス複合材料(請求項
2)とし、さらに、(3)セラミックス粉末に金属を浸
透させる金属−セラミックス複合材料の製造方法におい
て、先ずセラミックス粉末を用意し、そのセラミックス
粉末でプリフォームを形成した後、該プリフォームの上
面にMgまたはAl−Mg、Mg2Si等のMg含有金
属粉末を薄く敷き、その上にMgを含まずTi、Crま
たはMnを含むアルミニウム合金を載せた後、該プリフ
ォームにアルミニウム合金を700〜1000℃の温度
で浸透させることを特徴とする金属−セラミックス複合
材料の製造方法(請求項3)とし、さらにまた、(4)
セラミックス粉末に金属を浸透させる金属−セラミック
ス複合材料の製造方法において、先ず含浸促進材を混合
したセラミックス粉末を用意し、そのセラミックス粉末
を型枠内に充填し、そのセラミックス粉末の上にMgを
含まずTi、CrまたはMnを含むアルミニウム合金を
載せた後、該セラミックス粉末にアルミニウム合金を7
00〜1000℃の温度で浸透させることを特徴とする
金属−セラミックス複合材料の製造方法(請求項4)と
し、そしてまた、(5)セラミックス粉末に金属を浸透
させる金属−セラミックス複合材料の製造方法におい
て、先ずセラミックス粉末を用意し、そのセラミックス
粉末でプリフォームを形成した後、あるいはそのセラミ
ックス粉末を型枠内に充填した後、そのプリフォームま
たはセラミックス粉末の上にMgを含み、かつTi、C
rまたはMnを含むアルミニウム合金を載せた後、該プ
リフォームまたはセラミックス粉末に700〜1000
℃の温度でアルミニウム合金を浸透させることを特徴と
する金属−セラミックス複合材料の製造方法(請求項
5)とし、そしてさらにまた、(6)アルミニウム合金
が、Ti、CrまたはMnを0.5〜20重量%含むア
ルミニウム合金であることを特徴とする請求項3、4ま
たは5記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法
(請求項6)とすることを要旨とする。以下さらに詳細
に説明する。
【0012】上記複合材料中のセラミックス粉末として
は、SiC、Al23またはAlN粉末から成るとし、
そのセラミックス粉末に浸透させた金属としては、T
i、CrまたはMnを含むアルミニウム合金から成るこ
ととする金属−セラミックス複合材料とした(請求項
1)。セラミックス粉末をSiC、Al23またはAl
N粉末としたのは、これら粉末が金属に浸透され易いこ
とによる。また、浸透させた金属をTi、CrまたはM
nを含むアルミニウム合金としたのは、Ti、Crまた
はMnがAlと共晶点を作らず、またAlより融点が高
いので、これら金属が加わると必ずAlより高い融点に
なり耐熱性が向上することによる。これは、耐熱性を低
くするMgを多く含んでいても同様で、Mgの含有量が
同じであれば必ず耐熱性が改善される。
【0013】このTi、CrまたはMnの含有量として
は、アルミニウム合金中に0.5〜20%重量%とした
(請求項2)。これらTi、CrまたはMnの含有量が
0.5重量%より少ないと耐熱性を向上させる効果が少
なく、20重量%より多いと金属の浸透速度が遅くなり
工業的には適さない。これら金属による効果はほぼ同程
度であるので、要求される物理的特性ないしは経済性を
考慮して適宜選択して用いればよい。
【0014】その複合材料の製造方法としては、浸透さ
せる金属にMgを含まないアルミニウム合金を用いる場
合には、先ずセラミックス粉末を用意し、そのセラミッ
クス粉末でプリフォームを形成した後、該プリフォーム
の上面にMgまたはAl−Mg、Mg2Si等のMg含
有金属粉末を薄く敷き、その上にMgを含まずTi、C
rまたはMnを含むアルミニウム合金を載せた後、該プ
リフォームに700〜1000℃の温度でアルミニウム
合金を浸透させることとする金属−セラミックス複合材
料の製造方法とした(請求項3)。
【0015】この製造方法は、形成されたプリフォーム
と浸透させる金属との間にMgを含む金属粉末を敷くこ
とで金属を浸透させるもので、このMgを含む金属粉末
を敷いてないと、溶融金属がプリフォームに浸透されな
い。その金属粉末の平均粒径としては、1〜300μm
が好ましく、1μmより細かいと大気中の水分と反応し
てしまいMg(OH)2となり好ましくなく、300μ
mより粗いと混合が不均一となり浸透が進まない部分が
生じる。また、その金属粉末のプリフォーム上面に敷く
量としては、耐熱性を向上させるためには全金属中のM
g含有量が1%以下となる量とする必要がある。それを
敷く方法としては、篩などを用いてできるだけ均一に振
り撒くことが望ましい。量が足りなくて均一に振り撒く
ことができない場合には、Al23等のセラミックス粉
末と充分混合し、増量したものを用いてもよい。
【0016】Mgを含まないアルミニウム合金を用いる
場合の他の製造方法としては、先ず含浸促進材を混合し
たセラミックス粉末を用意し、そのセラミックス粉末を
型枠内に充填し、そのセラミックス粉末の上にMgを含
まずTi、CrまたはMnを含むアルミニウム合金を載
せた後、該セラミックス粉末に700〜1000℃の温
度でアルミニウム合金を浸透させることとする金属−セ
ラミックス複合材料の製造方法とした(請求項4)。
【0017】この製造方法は、強化材であるセラミック
ス粉末にMgを含む金属粉末から成る含浸促進材を混ぜ
型枠内に充填するもので、含浸促進材がセラミックス粉
末に含まれていないと、前記したと同様溶融金属がセラ
ミックス粉末に浸透されない。その金属粉末の平均粒径
としては、これも前記したと同様1〜300μmが好ま
しい。またその量としては、これも全アルミニウム合金
中のMg含有量が1%以下となるように調整する必要が
ある。
【0018】一方、浸透させる金属にMgを含むアルミ
ニウム合金を用いる場合には、先ずセラミックス粉末を
用意し、そのセラミックス粉末でプリフォームを形成し
た後、あるいはそのセラミックス粉末を型枠内に充填し
た後、そのプリフォームまたはセラミックス粉末の上に
Mgを含み、かつTi、CrまたはMnを含むアルミニ
ウム合金を載せた後、該プリフォームまたはセラミック
ス粉末に700〜1000℃の温度でアルミニウム合金
を浸透させることとする金属−セラミックス複合材料の
製造方法とした(請求項5)。
【0019】この製造方法は、浸透させる金属にMgを
含んでいることから、プリフォームの上面にMgを含む
金属粉末を敷く必要はなく、あるいは型枠内に充填する
セラミックス粉末に含浸促進材を混ぜる必要もなく、浸
透させるアルミニウム合金にTi、CrまたはMnが含
まれていることを除けば従来通りの方法で製造できる。
そして、Mgを含まないアルミニウム合金を浸透させる
方法で作製された複合材料より耐熱性には劣るが、浸透
時間がはるかに短い利点がある。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明の製造方法をさらに詳しく
述べると、先ず強化材としてSiC、Al23またはA
lN粉末を用意する。プリフォームを作製する場合に
は、これら粉末に無機バインダーを、必要があれば有機
バインダーも加えて混合する。混合方法は均一に混合で
きればどんな方法でも構わない。
【0021】得られた混合物を成形する。成形方法は、
沈降成形、射出成形、CIP成形などがあるが、いずれ
の方法でも構わない。要は非加圧で金属を浸透するのに
プリフォームの形態を保つことができ、かつ浸透を阻害
しない方法であれば何でもよい。得られた成形体は、9
00〜1100℃の温度で焼成してプリフォームを形成
する。Mgを含まないアルミニウム合金を浸透させる場
合には、形成したプリフォームの上面に1〜300μm
の平均粒径を有するMgを含む金属粉末を篩等を用いて
振り撒いて薄く敷き、その上にTi、CrまたはMnを
含むアルミニウム合金を置いた後、あるいはMgを含む
アルミニウム合金を浸透させる場合には、プリフォーム
の上に金属粉末を敷くことなくそのままTi、Crまた
はMnを含むアルミニウム合金を置いた後、窒素気流中
で非加圧で700〜1000℃の温度でアルミニウム合
金を浸透させ、冷却して複合材料を作製する。
【0022】一方、型枠に充填する場合には、Mgを含
まないアルミニウム合金を浸透させるときは、前記した
セラミックス粉末に含浸促進材である1〜300μmの
平均粒径を有するMgを含む金属粉末を加え、乾式で混
合し、その混合粉末を型枠に充填した後、あるいはMg
を含むアルミニウム合金を浸透させるときには、セラミ
ックス粉末をそのまま型枠内に充填した後、充填したセ
ラミックス粉末に型枠上部から前記したプリフォームの
場合と同様金属を浸透させる。型枠に用いる材料として
は、グラフォイル等溶融金属との濡れ性が悪く、浸透を
阻害するものがよく、浸透後の脱型が容易になる。
【0023】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
を作製すれば、耐熱性を改善することのできる金属−セ
ラミックス複合材料を得ることができる。
【0024】
【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に挙げ、本発
明をより詳細に説明する。
【0025】(実施例1) (1)プリフォームの形成 強化材として16μmの平均粒径を有するシリカコーテ
ィングしたAlN粉末(ダウケミカル社製)を用い、そ
れにバインダーとしてコロイダルシリカ液をそのシリカ
固形分がセラミックス粉末100重量部に対し2重量部
になる量を添加し、さらにイオン交換水を30重量部加
え、媒体を入れてないポットミルで16時間混合した。
得られたスラリーを80×80×厚さ20mmの成形体
が得られるシリコーンゴム型に流し込んでセディメント
キャスト(沈降成形)を行ない、−30℃に冷却して冷
凍品を得た。得られた冷凍品を700℃で5時間焼成し
て4枚のプリフォーム板を形成した。
【0026】(2)複合材料の作製 プリフォームの上面にAl23粉末と150μmアンダ
ーのMg粉末とを重量比9:1で混合した粉末200g
を篩を用いて薄く敷き、さらにその上に1,2倍量の純
Al、Al−5Ti組成、Al−5Cr組成、Al−5
Mn組成の板を各々のプリフォーム板の上に置き、窒素
雰囲気中で875℃の温度で45時間非加圧浸透させた
後、冷却して金属−セラミックス複合材料を作製した。
【0027】(3)評価 得られた複合材料から長さ80×幅20×厚さ4mmの
試験片を切り出し、その試験片を大気中で620℃の温
度で2時間保持した後、その表面を目視観察した。その
結果、純Alを浸透させた試験片では表面に球滴状の溶
融合金が付着しているのが観察されたが、Ti、Crま
たはMnを含むアルミニウム合金を浸透させた試験片で
は全く溶融した形跡がみられなかった。このことは、A
lにTi、CrまたはMnを含ませれば、Alより耐熱
性が改善されることを示している。
【0028】(実施例2) (1)プリフォームの形成 強化材として#180(平均粒径66μm)の市販Si
C粉末70重量部と#800(平均粒径14μm)の市
販SiC粉末30重量部に対し、バインダーとしてコロ
イダルシリカ液をそのシリカ固形分がセラミックス粉末
100重量部に対し2重量部になる量を添加し、それに
消泡剤としてフォーマスタVL(サンノブコ社製)を
0.2重量部加え、それにさらにイオン交換水を24重
量部加え、媒体を入れてないポットミルで12時間混合
した。得られたスラリーを80×80×厚さ20mmの
成形体が得られるシリコーンゴム型に流し込んでセディ
メントキャスト(沈降成形)を行ない、−30℃に冷却
して冷凍品を得た。得られた冷凍品を1050℃で3時
間焼成して4枚のプリフォーム板を形成した。
【0029】(2)複合材料の作製 プリフォームの上面に市販のAC8B組成(Al−Si
−Cu−Ni−Mg系)にMgを3重量%添加したもの
(以下AC8B−3Mgと略記)、それにTi、Crま
たはMnを1重量%添加したものをプリフォームの1.
0倍量それぞれ置き、窒素雰囲気中で825℃の温度で
24時間非加圧浸透させた後、冷却して金属−セラミッ
クス複合材料を作製した。
【0030】(3)評価 得られた複合材料から長さ80×幅20×厚さ4mmの
試験片を切り出し、その試験片を大気中で550℃の温
度に設定した電気炉内に入れ、2時間保持した後、その
表面を目視観察した。その結果、AC8B−3Mgを浸
透させた試験片では表面に球滴状の溶融合金が付着して
いるのが観察されたが、AC8B−3MgにTi、Cr
またはMnを含む合金を浸透させた試験片では全く溶融
した形跡がみられなかった。このことは、アルミニウム
合金にTi、CrまたはMnを含ませれば、Mgを同じ
量含むものより耐熱性が改善されることを示している。
【0031】
【発明の効果】以上の通り、本発明の金属−セラミック
ス複合材料であれば、Mgを含まないものは勿論Mgを
含んでも耐熱性を改善することのできる金属−セラミッ
クス複合材料とすることができるようになった。このこ
とにより、従来欠点であった耐熱性の低さを大幅に改善
することができるようになり、特に強化材にAlN粉末
を用いたものは、耐熱性が600℃より高く、軽量、高
剛性を兼ね備えながらこれほどの高温に耐えられる材料
は他になく半導体製造装置の部材用などを中心に幅広い
応用が期待できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 睦夫 埼玉県浦和市大牧560 (72)発明者 高橋 平四郎 千葉県松戸市松戸新田314−1 (72)発明者 樋口 毅 東京都東久留米市氷川台1−3−9 (72)発明者 小山 富和 東京都北区浮間1−3−1−805

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス粉末に金属を浸透させた金
    属−セラミックス複合材料において、該セラミックス粉
    末が、SiC、Al23またはAlN粉末から成り、該
    金属が、Ti、CrまたはMnを含むアルミニウム合金
    から成ることを特徴とする金属−セラミックス複合材
    料。
  2. 【請求項2】 アルミニウム合金が、Ti、Crまたは
    Mnを0.5〜20重量%含むアルミニウム合金である
    ことを特徴とする請求項1記載の金属−セラミックス複
    合材料。
  3. 【請求項3】 セラミックス粉末に金属を浸透させる金
    属−セラミックス複合材料の製造方法において、先ずセ
    ラミックス粉末を用意し、そのセラミックス粉末でプリ
    フォームを形成した後、該プリフォームの上面にMgま
    たはAl−Mg、Mg2Si等のMg含有金属粉末を薄
    く敷き、その上にMgを含まずTi、CrまたはMnを
    含むアルミニウム合金を載せた後、該プリフォームにア
    ルミニウム合金を700〜1000℃の温度で浸透させ
    ることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造
    方法。
  4. 【請求項4】 セラミックス粉末に金属を浸透させる金
    属−セラミックス複合材料の製造方法において、先ず含
    浸促進材を混合したセラミックス粉末を用意し、そのセ
    ラミックス粉末を型枠内に充填し、そのセラミックス粉
    末の上にMgを含まずTi、CrまたはMnを含むアル
    ミニウム合金を載せた後、該セラミックス粉末にアルミ
    ニウム合金を700〜1000℃の温度で浸透させるこ
    とを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方
    法。
  5. 【請求項5】 セラミックス粉末に金属を浸透させる金
    属−セラミックス複合材料の製造方法において、先ずセ
    ラミックス粉末を用意し、そのセラミックス粉末でプリ
    フォームを形成した後、あるいはそのセラミックス粉末
    を型枠内に充填した後、そのプリフォームまたはセラミ
    ックス粉末の上にMgを含み、かつTi、CrまたはM
    nを含むアルミニウム合金を載せた後、該プリフォーム
    またはセラミックス粉末に700〜1000℃の温度で
    アルミニウム合金を浸透させることを特徴とする金属−
    セラミックス複合材料の製造方法。
  6. 【請求項6】 アルミニウム合金が、Ti、Crまたは
    Mnを0.5〜20重量%含むアルミニウム合金である
    ことを特徴とする請求項3、4または5記載の金属−セ
    ラミックス複合材料の製造方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002339025A (ja) * 2001-05-16 2002-11-27 Taiheiyo Cement Corp 金属−セラミックス複合材料の製造方法
US6635357B2 (en) * 2002-02-28 2003-10-21 Vladimir S. Moxson Bulletproof lightweight metal matrix macrocomposites with controlled structure and manufacture the same

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