JPS6041136B2 - シリコンカ−バイド繊維強化軽金属複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、シリコンカーバイト繊維をもって強化してな
る軽金属複合材料の製造方法に関するものである。

特に本発明は、シリコンカーバイト長繊維をもって強化
してなるアルミニウム又はマグネシウム複合材料の製造
方法に関するものである。

アルミニウムは軽量であり、耐食性も優れまた電気伝導
度がよいなど金属として優れた多くの性質をもっている
が、これに銅、マグネシウム、ケイ素、マンガン、亜鉛
、ニッケルなどを単独または同時に添加して合金にすれ
ば、その機械的性質はいちじるしく改善され、純アルミ
ニウムの陵れた特性に加えて、常温ならびに高温におい
て強力性がいちじるしく増大し、耐食性、耐摩耗性、低
熱膨張係数などの特性が付加され、それぞれの目的に応
じた優秀な工業用材料が得られる。

これらの材料はわれれの生活にもっとも近い家庭用品を
初め、航空機、自動車、鉄道車輪、船舶、建築などのあ
らゆる分野にきわめて広範囲に使用され、その使用量も
年々増大している。マグネシウムは比重が１．７４で、
工業用金属材料中もっとも軽量であるため主として航空
機用材料として注目されてきた。マグネシウム合金の機
械的性質はアルミニウム合金に比較して見劣りすること
はないうえに長所として、機械切削性がきわめてよい点
で優れているが、従釆工業用純度の地金がきわめて腐食
に弱いことが最大の欠点とされていた。耐食性向上のた
めに、種々の防銭表面処理法が試みられたがこれを克服
するに至らなかった。また鋳物用合金としては、ミクロ
・シュリンケージによる結晶粒界亀裂あるし、は溶湯の
酸化による蛭酸化物の巻込みなどのため健全で信頼性の
ある製品をつくることが困難なこと、さらに鍛練材とし
ては、マグネシウムが鋼密六万構造であるためその冷間
加工性が立方晶であるアルミニウム、銅などに比較して
劣ることなどの欠点があるためにマグネシウムとその合
金は最近までその需要が振わなかつた。第２次大戦中か
ら戦後にかけて航空機の高速化、ジェット・エンジンの
急速な発達とともに、マグネシウムの軽量さと、加工に
際してヒりが起り難いという欠点が高温ではかえって変
形し難い利点と考えられるために、耐熱軽合金としての
開発が注目され耐熱マグネシウム合金に研究がさかんに
行なわれている。

またマグネシウムの欠点である耐食性について再検討が
行なわれたが、最近マグネシウム製錬方法の進歩によっ
て、地金の品位がいちじるしく向上したため、マグネシ
ウムの耐食性がきわめて優秀になり、またジリコニゥム
などの添加によって結晶粒微細化が完全に行なわれ、耐
圧性の信頼度のある健全な鋳物の製造が可能になった。
さらにセリウム、ミッシュ・メタル、トリウムなどの希
土類元素の添加によって高温クリープ性のきわめて優秀
な耐熱マグネシウム合金が製造され、マグネシウム合金
の諸性質は画期的に改善されてきた。なおまたリチウム
の添加によってマグネシウム本来の稲密六万構造を立方
晶構造に変え冷間加工性を与えようとする考え方も行な
われている。

従来シリコンカーバイト繊維とアルミニウム、アルミニ
ウム合金またはマグネシウム合金との複合材料の研究は
、実用に供されているシリコンカーバイト繊維がウィス
カ−状であるため、シリコン力ーバイトウイスカーとア
ルミニウム、アルミニウム合金またはマグネシウム合金
とについてなされている。しかしＳＩＣのみからなるシ
リコンカーバイトウイスカーはアルミニウム、アルミニ
ウム合金またはマグネシウム合金との濡れ性が悪く、ま
たウィスカーの長さがたかだか数側であるため前記ウィ
スカーを整列させるのが非常に困難であり、引張強度が
弱く、弾性率は低くかつゥィスカーの価格が高いため、
実用に供されてし、なかつた。本発明者等は、先に有機
ケイ素高分子化合物よりシリコンカーバイト長繊維を経
済的に製造する方法を発明し、特顔昭５０−５０５２計
号（特関昭５１−１３９９２９号）、特鰯昭５０−５２
４７１号（袴関昭５１一１３０３２４号）、同５０一５
２４７２号（特関昭５１一１３０３２５号）、同５０−
５８０３３号（特間昭５１一１４９９２５号）、同５０
一５８０３４号（特関昭５１一１４９９２６号）によっ
て特許出願した。

一方前記長繊維をもって、アルミニウム、アルミニウム
合金又はマグネシウム合金を強化した複合材料とその製
造方法を発明し、特願昭５０−８３９２４号（特開昭５
２−７８１１号）、同５０一９６０５５号（特開昭５２
一２４１１１号）によって特許出願した。前記それぞれ
の複合材料にあっては、前記本発明者等が発明したシリ
コンカーバイト長繊維中に遊離炭素を０．０１〜４０％
の範囲内で含有させることができ、かつ針基、Ｍｇ基合
金中にＳＩＣおよびＣとの濡れ性の良い元素を添加する
ことによってシリコンカーバイト繊維と金属基地（マト
リックス）との濡れ性の良い、すなわち繊維と基地との
結合度を高めることができ、常温及び高温におし、ても
引張強さ、クリープ特性、疲労特性の優れた複合材料を
提供することができることを提案した。

しかしながら、前記本発明者らの発明した複合材料にあ
っては、長期間比較的高温で使用している間にシリコン
カーバイト繊維中の遊離炭素が金属基地中の炭化物を形
成しやすい金属元素と反応し炭化物を生成し、シリコン
カーバイト繊維の機械強度を低下させるのみでなく、基
地自体の成分組成ならびに機械的強度も次第に変化し、
特に脆性が増大することを知見するに至った。

本発明は、先に本発明者等が発明した前記複合材料の製
造方法の改良を目的とするものであり、ケイ素と炭素を
主な骨格成分とする有機ケイ素高分子化合物を紡系し１
０００〜２０００００で焼成して成り遊離炭素０．１〜
４０％を含有するシリコンカーバイト繊維の表面を適当
な界面結合度及びセラミックスの少〈をも１種で被覆し
たシリコンカーバイト繊維により、アルミニウム、アル
ミニウム合金及びマグネシウム合金のうちから選択した
何れか１種の金属マトリックスを強化すると共に、前記
シリコンカーバイト繊維中の遊離炭素が前記金属マトリ
ックス中へ拡散して金属炭化物を生成して金属マトリッ
クスの物理的及び化学的特性を劣化することを防止する
。

以下本発明を詳細に説明する。

本発明質等が先に発明し、特許出願したシリコンカーバ
イト繊維の製造方法によれば、有機ケイ素高分子化合物
を紡糸し、焼成してシリコンカーバイト長繊維を製造す
ることができるが、前記製造過程中必要により脱炭工程
を省略あるいは制御すると、ほぼ４０％以下任意の遊離
炭素を含有するシリコンカ−バイト長繊維を得ることが
できる。

次に本発明者等が先に発明したシリコンカーバイト繊維
の製造方法ならびにその性質について説明する。本発明
において使用される遊離炭素０．０１以上４０％以下を
含有するシリコンカーバイト繊維は下記ｍ〜血の型式に
分類される有機ケイ素化合物を出発原料として製造され
る。

‘１’Ｓｉ−Ｃ結合のみをふくむ化合物。

‘２）Ｓｉ−Ｃ結合のほかにＳｉ一日結合をふくむ化合
物。

｛３’Ｓｉ一日ＥＩ結合を有する化合物。

‘４｝ Ｓｉ−Ｎ結合を有する化合物。

【５｝ Ｓｉ−ＯＲ（Ｒ−アルキル、アリール）結合を
有する化合物。

■ Ｓｉ−ＯＨ結合を有する化合物。

‘７１ Ｓｊ−Ｓｉ結合をふくむ化合物。

■ Ｓｊ−０−Ｓｉ結合をふくむ化合物。

‘９１ 有機ケイ素化合物ェステル類。

００ 有機ケイ素化合物過酸化物。

前記【１１〜００の型式に属する少なくとも１種以上の
有機ケイ素化合物から、照射、加熱、軍縮合用触媒添加
の少なくとも何れか１つを用いた軍縮合反応により、ケ
イ素と炭素とを主な骨格成分ちする有機ケイ素高分子化
合物、例えば下記の如き分子構造を有する化合物を生成
させる。

９ 前記｛ィー〜し一記載の骨格成分を鎖状および三次
元構造のうち少なくとも一つの部分構造として含むもの
又は肌。

州の混合物。前記の分子晃造を有する化合物には例えば
次の如きものがある。

ｎ＝１、ポリ（シルメチレンシロキサン）ｎ＝２、ポリ
（シルエチレンシロキサン）ｎ＝６、ポリ（シルフエニ
レンシロキサン）ｎ＝１、ポリ（メチレンオキシシロキ
サン）ｎ＝２、ポリ（エチレンオキシシロキサン）ｎ＝
１２、ポリ（ジフエニレンオキシシロキサン）ｎ＝１、
ポリシルメチレン ｎ＝２、ポリシルエチレン ｎ＝３、ポリシルトリメチレン ｎ＝６、ポリシルフエニレン ｎ＝１２、ポリシルジフエニレン 片 前記【ィ’〜日記戦の骨格成分を鎖状、環状および
三次元構造のうち少なくとも一つの部分構造として含む
もの、又は【ィ｝【口｝し一の混合物。

前記有機ケイ素高分子化合物を紡糸し、該紡糸を真空中
で予備加熱し、さらに真空中あるいは不活性ガス、ＣＯ
ガス、水素ガスのうちから選ばれるいずれか１種以上の
雰囲気下で高温焼成することにより強度がきわめて大き
く、弾性率の高いシリコンカーバイト繊維を製造するこ
とができる。前記シリコンカーバイト連続繊維の原料で
ある前記【ィ｝〜９の有機ケイ素高分子化合物にケイ素
と炭素とが含まれる割合は、２原子のケイ素に対して少
くとも５原子以上の炭素となっているため、この有機ケ
イ素高分子化合物を紡糸し、焼成すると、高分子の側鎖
として結合している多くの炭素は炭化水素または有機ケ
イ素化合物となって揮発するものの、少くとも０．０１
％以上４０％以下を遊離炭素としてシリコンカーバイト
繊維中に残存させることができる。シリコンカーバイト
繊維中の遊離炭素の含有量が０．０１％以下の場合には
、前記シリコンカーバイト繊維の内部から基地金属中へ
拡散し、マトリックス金属と反応する遊離炭素の量が少
いため、シリコンカーバイト繊維強化軽金属複合材料の
強度はほとんど低下しない。

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
イト繊維中には４０％より多くの遊離炭素を含有させる
ことができない。したがって本発明のシリコンカーバイ
ト繊維強化軽金属複合材料に使用されるシリコンカーバ
イト繊維の遊離炭素の含有量は０．０１〜４０％の範囲
とする必要がある。本発明のシリコンカーバイト繊維の
強度ならびに弾性率は次の表のようであり、かかる引張
強さの大なるシリコンカーバイト繊維は従来知られてい
ない。

表 本発明のシリコンカーバイト繊維の弾性率は現在知られ
ている各種繊維の内で弾性率の最も大きい炭素繊維とほ
ぼ等しく、ガラス繊維の約６倍である。

アルミニウム又は第１表り示す如きアルミニウム合金に
シリコンカーバイト繊維を複合させる場合このシリコン
カーバイト繊維に含有される遊離炭素は下記の式に示さ
れる反応式に従ってＡＩと反応し、炭化アルミニウム（
ＡＩ４Ｃ３）を生成する。

４／３り十Ｃ→１／３ＡＩ４Ｃ３ 上式の標準自由エネルギー変化は負であり、炭化アルミ
ニウムの生成はきわめて容易であるので、シリコンカー
バイト繊維の表面部分の遊離炭素はアルミニウムと反応
して炭化アルミニウムを生成する。

この炭化アルミニウムはシリコンカーバイト繊維とマト
リックスのアルミニウム金属とを接合するため、繊維と
アルミニウムまたはアルミニウム合金との濡れ性を良く
する作用を有する。しかしながらシリコンカーバイト繊
維の内部に存在する遊離炭素は次第に拡散して、アルミ
ニウム又はアルミニウム合金と反応して、金属中に炭化
物を生成する。この炭化物は複合材料のマトリックス金
属の級性を消失せしめ、材料を脆くする。そのためシリ
コンカーバイト繊維強化アルミニウム基複合材料の強度
は低下するに至る。マグネシウムは単体で工業材料とし
て使用されることは稀れであり、ほとんど後述する第２
表に示す如きマグネシウム合金として使用されているが
、これらのマグネシウム合金にシリコンカーバイト繊維
を複合させる場合、このシリコンカーバイト繊維に含有
される遊離炭素は、マグネシウム合金中に含有される炭
化物を形成し易い金属例えば山，Ｚｒ，希士類元素，Ｔ
ｈ等と反応して炭化物を生成する。この場合炭化物の生
成量が少ない場合には金属基地の機械的特性に大きい影
響を及ぼすことはないが、その量が多くなると金属基地
の機械的特性、特に鰯性が低下して脆くなる。なかでも
耐熱性マグネシウム合金にシリコンカーバイト繊維を複
合させた複合材料にあっては、高温で使用中前記炭化物
生成反応が進行し、使用が長期にわたると次第に腕化す
ることが判った。本発明は、アルミニウム、アルミニウ
ム合金又はマグネシウム合金に前記シリコンカーバイト
長繊維を複合させた複合材料の炭化物生成を防止して、
前記金属基地が有する個有の特性は保持させたまま、シ
リコンカーバイト長繊維をもって強化させるため、前記
シリコンカーバイト繊維の表面を金属又はセラミックス
をもって被覆した後、この被覆繊維をもってアルミニウ
ム、アルミニウム合金又はマグネシウム合金を強化して
なる複合材料とその製造方法を得ようとするものである
。すなわち本発明の複合材料は、長期間比較的高温度で
使用しても金属基地の有する個有の特性は維持され、か
つ前記シリコンカーバイト長繊維の有する数々の優れた
物理的および化学的特性は完全に発揮される状態で複合
強化された複合材料である。前記シリコンカーバイト繊
維に金属、合金、セラミックス被膜を形成させるには次
の六つの方法によっておこなうことができる。

すなわちｍ化学蒸着、■炎熔射蒸着、糊スパッタリング
蒸着、■真空蒸着、‘５’電気メッキ、（６｝粉末暁付
、‘７｝無電解〆ツキである。‘１１ 化学蒸着方法に
よれば、金属化合物ガスをそのまま、あるいは水素ガス
、酸素ガス、ＣＯガス、炭化水素ガス、その他のガスと
一緒に５００〜２７００００の温度範囲で熱分解して、
繊維表面に前記金属の被膜を形成させることができる。

熱分解温度は例えば塩化タングステンと水素ガスの場合
には５００℃ぐらいよりタングステン金属膜を形成する
ことができる。またョウ化ジルコニウムガスを１３００
〜１８００ｏ○の温度範囲で熱分解するとジルコニウム
金属膜を形成させることができる。塩化白金ガスとＣＯ
ガスとの混合ガスを６００ｏｏで熱分解すると白金膜を
形成させることができる。■ 炎港射蒸着方法によれば
、高温の炎で金属、合金セラミックスを溶融して吹き付
けてシリコンカーバイト繊維表面に被膜を形成させるこ
とができる。

前記炎には酸素ーアセチレンガス炎とプラズマ・ジェッ
ト炎とを用いることができる。｛３’ スパッタリング
蒸着方法によれば、アルゴン雰囲気中、高周波放電によ
りアルゴンのプラズマにし、それを金属、合金、セラミ
ックスのターゲットにあてそれらを蒸発させて炭化ケイ
素繊維面に膜を形成させる。

【４｝ 真空蒸着方法によれば真空雰囲気中で金属、合
金、セラミックスを加熱蒸発させ、炭化ケイ素繊維表面
に膜を形成させることができる。

【５｝ 電気メッキ方法によれば、金属イオンを含有す
る電解液をシリコンカーバイト繊維を陰極として電気分
解し、炭素繊維表面に金属膜をメッキさせることができ
る。‘６） 粉末擬付け方法によれば金属、合金の微粉
末を造り、これを溶媒に懸濁させておき、そこへシリコ
ンカーバイト繊維を浸潰させて微粉末を付着させ、溶媒
を蒸着させた後、加熱してシリコンカーバイト繊維表面
に金属膜を形成させることができる。

【７｝ 無電解〆ッキ方法によれば、電気エネルギーを
用いず、金属相互の化学的置換および還元作用を応用し
て、物質の表面に金属メッキをすることができる。

ここで使用される格の組成としては、金属塩、還元剤お
よび穣衡剤の三つから成るものである。セラミックス被
膜のうち酸化物被膜は、前記【５ーを除く５つの方法で
形成させることができる。

さらにこれら５つの方法のほかにシリコンカーバイト繊
維あるいは金属又は合金を被覆したシリコンカーバイト
繊維を酸化性雰囲気中で焼成することにより酸化物の膜
を形成させることができる。このうち酸化被膜は、酸化
性雰囲気中で５００〜２５００℃の温度範囲で０．１〜
５の時間焼成することにより形成させることができる。
５００ｑｏ以下では酸化温度が低くて酸化被膜が充分形
成されず、２５００ｏｏ以上では分解および蒸発反応が
進みすぎるため前記焼成温度は５００〜２５０び０の温
度範囲内にする必要がある。

酸化性雰囲気下での焼成時間としては、例えば５００『
０の如き低温では３釣時間と長時間を要するが、２５０
０ｑｏの如き高温では０．２時間でも良い結果が得られ
る。焼成を行う酸化性雰囲気としては、空気とするのが
一番経済的であり、他にオゾンガスと空気の魂合ガスを
使用しても酸化被膜を形成させることができる。前記焼
成を窒素ガス、アンモニアガス、アンモニアガスと水素
ガスの混合ガス中のいづれか一種のガス雰囲気中で行え
ば、金属窒化物を生成させることができ、その時の焼成
温度は５００〜２５００００の温度範囲とすることは有
利である。

シリコンカーバイト繊維表面に金属又は合金を被覆した
場合には、前記金属及び合金とアルミニウム、アルミニ
ウム合金又はマグネシウム合金との濡れ性は、金属相互
の接触角が９００以下と小さいためきわめて良い。

従ってシリコンカーバイト繊維表面への金属及び合金の
被覆は、アルミニウム又はマグネシウムとシリコンカー
バイト繊維との濡れ性を良くし、かつ炭化アルミニウム
あるいは基地金属中に含有される炭化物を形成しやすい
元素の炭化物生成阻止に対し有効であり、これより製造
されるアルミニウム基又はマグネシウム基複合材料の性
能はきわめて良くなる。前記被覆された金属および合金
のうちＢ，Ｍｎ，Ｍｏ，ＡＩ，Ｗ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｃａ，
Ｃｅ，Ｖ，Ｕ，Ｔｈ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの
金属元素はそれぞれ遊離炭素と一緒に加熱されると安定
な炭化物を生成する。従って複合する際の加熱により前
記金属被覆の一部分又は全部は炭化物被覆に変化し、こ
の炭化物被覆がシリコンカーバイト繊維の内部から遊離
炭素が拡散し、アルミニウムと反応して炭化物を生成す
るのを阻止する。前記シリコンカーバイト繊維を被覆す
るに特に有利な金属は、前記炭化物を生成する金属以外
にＢｅ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｊ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｃｅ，
Ｐｄ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｐは等の
金属およびこれらの金属元素のうちから選ばれる何れか
少なくとも２種の合金である。

本発明のシリコンカーバイト繊維を被覆するのに有利な
セラミックスは、酸化物としてはＭｇ○，ＡＩ２Ｑ，Ｓ
ｊ０２，Ｔｉ０２，ＺＮ０２，があり、窒化物としては
ＡＩＮ，Ｍｇ３Ｎ２，Ｓｊ３Ｎ４，ＴＩＮ，ＺｒＮがあ
り、炭化物としてはＴＩＣ，ＺｒＣ，ＷＣがある。

前記シリコンカーバイト繊維に被覆する膜の厚さが１０
０Ａ以下では被覆膜が薄すぎて、遊離炭素の拡散を阻止
する効果が小さく、２０００Ａ以上の厚さになっても遊
離炭素の拡散するのを阻止する効果はそれ以下の厚さの
被覆膜と変わりない。遊離炭素０．０１〜４０％を含有
するシリコンカーバイト繊維を被覆する被膜の厚さは好
適には１００〜２０００Ａに範囲内である。前記金属、
合金、セラミックスを被覆したシリコンカーバイト繊維
と、アルミニウム、アルミニウム合金又はマグネシウム
合金とからアルミニウム基又はマグネシウム基複合材料
を製造するには次のような通常の繊維強化金属複合材料
の製造方法によることができる。

すなわち｛１｝拡散結合法、‘２）液体浸透法、湖溶射
法、‘４）雷折法、｛５’押出し及びホットロール法、
■化学気相析出法、‘７ー焼結法の緒方法である。｛１
｝ 拡散結合法によれば、シリコンカーバイト繊維と基
地金属線とを交互に一方向に配列し、その上下を基地金
属の薄膜で掩うか、あるいは下だけ前記薄膜で掩い、上
は有機質結合剤と混和された基地金属粉末で掩い複合層
となし、この層を数段債層した後、加熱下で加圧してシ
リコンカーバイト繊維で基地金属との複合材料を製造す
ることができる。

前記有機質結合剤としては、基地金属と炭化物を生成す
るに至る温度まで昇温される以前に揮発散逸するものが
望ましく、例えば澱粉、ＣＭＣ、パラフィン、レンジ、
塩化アンモニウム、鍵油等を使用することができる。ま
たシリコンカーバイト繊維の周囲に有機結合剤と混和し
た基地金属粉末を貼看破覆したものを配列積層し、これ
を加熱下で加圧して、複合材料とすることができる。

■ 液体浸透法によれば溶融したアルミニウム、アルミ
ニウム合金あるいはマグネシウム合金ともって配列され
たシリコンカーバイト繊維の間隙をうめて複合材料とす
ることができる。この場合特に金属を被覆した繊維と基
地金属との綴れ性がよいため、配列した繊維の間隙をま
んべんなく基地金属で満すことができる。‘３１ 溶射
法によれば配列したシリコンカーバイト繊維の表面にプ
ラズマ溶射又はガス総射により基地金属を塗布しテープ
状複合材料を製造することができる。

このままで使用するかあるいはさらに前記テープ状複合
材料を贋層し、前記｛１’の拡散結合法によ複合材料を
製造することができる。（４’電解析出法によれば、繊
維の表面に基地金属を電解析出させ複合体とし、さらに
これを積層配列し、前記｛１｝の拡散結合法により複合
材料とすることができる。

風 押し出し及びホットロール法によれば、一方向に繊
維を配列し、これをマトリックス金属箔で挟んで、サン
ドウィッチ状とし、これを必要により加熱されたロール
の間を通して、繊維とマトリックス金属とを接合させて
、複合材料を製造することがで′きる。

｛６ー 化学気相析出法によれば、繊維を加熱炉に入れ
、例えば塩化アルミニウムと水素ガスの濠合ガスを導入
し、繊維の表面にアルミニウム金属を析出させて複合体
とする。

さらにこの金属析出繊維を積層配列し、前記‘１ーの拡
散結合法により複合材料とすることができる。‘７｝
暁結法によれば、配列した繊維の間隙をマトリックス金
属粉末で充填し、ついで加圧あるいは無加圧で加熱焼結
し、複合材料とすることができる。シリコンカーバイト
繊維と金属基地とから製造された複合材料の引張強度（
〇ｃ）は■式で表わされる。

。 ｃ＝りｆＶｆ十。ＭＶＭ 【２
）。ｃ：複合材料の引張強度。

ｆ：シリコンカーバイト繊維の引張強度。

Ｍ：金属基地の引張強度Ｖｆ：シリコンカーバイト繊維
の体積百分率ＶＭ：金属基地の体積百分率■式で示され
るように、複合材料の強度は、複合材料中のシリコンカ
ーバイト繊維の体積割合が多くなるに従って大きくなる
。

従って、強度の大きい複合材料を製造するためには、複
合させるシリコンカーバイト繊維体積割合を多くする必
要がある。しかしながらシリコンカーバイト繊維量が７
０％を越ると、金属基地の量が少いため、シリコンカー
バイト繊維の間隙を充分に金属基地で充填することがで
きなくなるため、複合材料を製造しても‘２）式で示さ
れるような強度が発揮されなくなる。また繊維の量を少
〈してゆくと、（２ー式で示されるように複合材料の強
度は低下するから、実用性のある複合材料とするために
は２０％以上のシリコンカーバィト繊維を複合させるこ
とが必要である。従って本発明のシリコンカーバイト繊
維強化軽合金基複合材料の製造において、複合させるシ
リコンカーバイト繊維の量を２０〜７０％とすると最も
良い効果が得られる。次に本発明を実施例について説明
する。

実施例 １ 遊離炭素１３％を含有するシリコンカーバイト繊維（平
均直径２０〃ｍ、平均強度３００ｋ９／帆２、平均弾性
率３．０×１ぴｋ９／肋３ を使用し、前記繊維の表面
に真空蒸着法により４００〜５００Ａの厚さのタングス
テン、モリブデン、銅、ケイ素、マグネシウム、亜鉛、
鉄、マンガン、ニッケル、チタニウム、銀金属の被覆膜
を形成させた。

厚さ０．０５肌の純アルミニウム箔の上に、前記被覆シ
リコンカーバイト繊維を一層配向配列し、その上にアル
ミニウム箔をかぶせ、６００℃の熱間ロールにより、繊
維とアルミニウムを複合させた複合箔を製造した。

この複合箔の榛式図を第１図で示す。この複合箔を２の
叉重ねて６００００の温度でホットプレスしてシリコン
カーバイト繊維強化アルミニウム複合材料を製造した。
この複合材料には２．劫本積％のシリコンカーバイト繊
維が含有されていた。

複合材料の組織を光学顕微鏡で顔祭した１例として、銅
を被覆したシリコンカーバイト繊維を用いて作られた複
合材料の組織写真ご第２図に示す。第２図に示す如く、
シリコンカーバイト繊維とアルミニウムとの複合がきわ
めて良く、シリコンカーバイトとアルミニウムとが密着
している。第１表に、前記シリコンカーバイト繊維に金
属を被覆して製造された複合材料の機械的性質を示す。
第１表 純アルミニウムの引張強度は約１１ｋ９／柵２ であり
、弾性率は約７×１ぴｋ９／帆２であり、伸びは約２５
％である。

第１表に示される複合材料の引張強度は、被覆金属の種
類によって多少変動しているが純アルミニウムのそれの
数倍以上になっている。複合材料の弾性率も、純アルミ
ニウムのそれの２倍となっている。伸びの方は純アルミ
ニウムに比較し、複合材料ではきわめて小さいが、被覆
を全くしないシリコンカーバイト繊維と純アルミニウム
からられた複合材料では、伸びは１％以下ときわめて小
さい値と比較すると、被覆の効果が顕著であることがわ
かる。前記複合材料の引張強度の温度変化を第３図に示
す。第３図に示すように純アルミニウムは室温でも強度
は小さく、２００℃以上になると引張強度は極端に低下
するが本発明の複合材料は５００℃までは強度低下も４
・さく、かなりの強度を保持しており、高温でも使用可
能な材料となっている。さらにこれらの複合材料を４０
ぴ０の高温に１５瓜時間保持しても性能の変化は認．・
繁められなかった。実施例 ２ 遊離炭素２０％を含有するシリコンカーバイト繊維（引
張強度３２０ｋｇ／柵２ 、弾性率２．８×１ぴ上９／
柵２ ）の表面に１８Ｃｒステンレス、インコネルＸ、
ＡＳＴＭＩＡ鋼合金、ジルカロイ２、Ｔｉ−袖けｎチタ
ン合金を通常の綾射装置を用いて前記合金をそれぞれ約
６００Ａの厚さに被覆した。

前記被覆シリコンカーバイト繊維をステンレス箔製２×
２０×１０仇吻の型に配列して詰め、一端を８００ｑｏ
に加熱された溶融アルミニウム（１０６０−日１８アル
ミニウム合金）の中に入れ、他端を減圧して溶融アルミ
ニウムを吸い上げた。

これを冷却した後、ステンレス箔を破壊してアルミニウ
ム複合材料を取り出した。このアルミニウム複合材料に
は４の本積％のシリコンカーバイト繊維が含有されてい
た。この複合材料の室温における機械的性質を第２表に
示す。第２表 マトリックスの１０６０一日１５アルミニウム合金の引
張強度は約１３ｋ９／柵２ であり、弾性率は約９×１
ぴｋ９／側２であり、伸びは約６％である。

本発明のアルミニウム複合材料は、第２表に示す如く引
張強度はマトリックスの約１折音であり、暖性率も約２
．５倍となり、伸びも３％近くあり、アルミニウム複合
材料として極めて磯れた性質であることがわかる。さら
にこれらの複合材料を４５０℃の高温に長時間（１５畑
時間）保持しても性能に変化はなかった。実施例 ３ 遊離炭素５％を含有するシリコンカーバイト繊維（引張
強度３４０ｋ９／肋２、弾性率３５×１ぴｋｇ／燭２）
の表面に高周波二極スパッタリングの装置を用いアルゴ
ン雰囲気中でＺｒＮ，Ｃａ○，ＴＩＣ，ＨｆＢ，ＮはＳ
ｉ３を約８００Ａの厚さに被覆した。

この被覆シリコンカーバイト繊維を０．２山ｍのアルミ
ニウム箔の上に一列に方向を揃えて一重に配列し、その
上を３２５メッシュ以下のアルミニウム微粉末（５１５
４−０アルミニウム合金）で覆い、５６０℃の温度で２
００ｋ９／係の加圧下でホットプレスし、複合箔を得た
。この複合箔２の交を重ね、同様の条件でホットプレス
してアルミニウム複合材料を製造した。この複合材料中
にはシリコンカーバイト繊維が３の本鏡％含有されてい
た。

この複合材料の機械的強度を第３表に示す。第３表 ５１５４一０アルミニウム合金の引張強度は２４ｋ９／
柳２であり伸び２７％もある。

本発明の複合材料引張強度は第３表に示す如く、極めて
大きく、弾性率も大きい。伸びも３％もあり、複合材料
として使用に耐えるものである。さらにこれらの複合材
料を４５０午０の長時間（１５岬時間）保持しても性能
に変化はなかった。実施例 ４ 遊離炭素１０％を含有するシリコンカーバイト繊維（引
張強度３００ｋ９／側２ 、弾性２．５×１ぴ側２ ）
に、真空蒸着装暦を用いＮ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｖ金属を蒸着
し、次いで空気中で前記ＡＩを被覆したシリコンカーバ
イト繊維は５００こ０で１時間酸化して山２０３被シリ
コンカーバイト繊維とした。

他の金属被覆は空気中で１０００００で酸化し、それぞ
れＺｒ０２，Ｃｒ２０３，Ｖ２０５被覆シリコンカーバ
イト繊維とした。前記被覆シリコン力−バイト繊維に溶
射装置を用いてアルミニウム合金（５３５７−日３８）
を０．１〜１０仏の高さに被覆した。

このアルミニウム合金を被覆したシリコンカーバイト繊
維を７×１０×５比舷の型に積層配列して５００００で
２００ｋ９／側２ の加圧下でホットプレスして、アル
ミニウム複合材料を得た。この複合材料中にはシリコン
カーバイト繊維が３２％含有されていた。この複合材料
の機械的性質を第４表に示す。第４表 アルミニウム合金（５３５７−日総）の引張強度は２３
ｋ９／側２である。

本発明の複合材料の引張強度は前記合金のそれの４〜５
倍の大きさになっており、性能のすぐれた複合材料を製
造することができた。これらの複合材料を４５０ｑｏの
高温に長時間（１５畑時間）保持しても性能変化は起き
なかった。実施例 ５遊離炭素１３％を含有するシリコ
ンカーバイト繊維を空気中で２時間焼成し、表面にＳｉ
Ｑの被膜形成させ、同時に遊離炭素の除去もおこなった
。

このＳｉ０２被覆シリコンカーバイト繊維を厚さ０．０
５肋の純アルミニウム箔に一層密に配列し、その上に同
じ厚さの純アルミニウム箔を被せて、６５０ｏＣの温度
に加熱しながら熱間ロールにより、複合箔を製造した。
この複合箔２の女を重ね、６４０ｑｏの温度のホットプ
レスを１時間行ない、シリコンカーバイト繊維強化アル
ミニウム複合材料を製造した。このアルミニウム複合材
料中には２３本贋％のシリコンカーバイト繊維が含有さ
れている。この複合材料の引張強度は１１０ｋ９／胸２
とかなり大きく、Ｓｊ０２を被覆しないシリコンカーバ
イト繊維から合成された複合材料の引張強度が３５ｋ９
／剛２と小さいのに比較してきわめて大きくなっている
。この複合材料を４５ぴ０の高温で長時間（１０餌時間
）保持しても性能に変化はなかった。実施例 ６ アルミニウム３．０％、マンガン１％、亜鉛１．３％残
部マグネシウムからなるマグネシウムからなるマグネシ
ウム合金６０本穣％、シリコンカーバイト繊維４の本積
％からなるマグネシウム合金複合材料を製造した。

ニッケル、銅、１３％鉄、クロム合金を真空蒸着法によ
り約８００Ａの厚さにシリコンカーバイト繊維（直径２
０〃）表面に被覆した。ミらにシリコン力−バイト繊維
（直径２０仏）を空気中、１１００℃で１時間焼成して
、酸化ケイ素を被覆したシリコンカーバイト繊維とした
。これらの繊維の表面に前記マグネシウム合金粉末（９
５％）とパラフィン（５％）との混合物を平均１２ムの
厚さによって覆って付着せしめ、これを２０×５０×３
００肌の型に積層配列し、アルゴンガス雰囲気中で４８
０ｑｏの加熱下、２００ｋ９ノ柵の加圧下に１時間保持
してマグネシウム合金複合材料を製造した。この複合材
料の引張強度と弾性率を第５表に示す。第５表マグネシ
ウム合金のみでは、引張強度２２ｋ９／柳２、弾性率４
．６×１びｋ９／柳２であり、これに比較すると本発明
のマグネシウム合金複合材料の引張強度、弾性率は第５
表に示されるように極めて良くなっている。

また本発明のマグネシウム合金複合材料を４８０００の
高温で長時間（５０時間）保持しても性能の低下が起き
なかった。実施例 ７ 遊離炭素１３％を含有するシリコンカーバイト繊維（平
均直径１５〆、平均引張強度２５０ｋ９／肋２、平均弾
性率２０トン／側２ ）表面上にキューポジットカッパ
ーミックス３２母嬢電解メッキ液を用、０．２〜０．４
〃の厚さにＣｕメッキを行なった。

アルミニウム（ＨＺＩ０２）箔の上に前記Ｃｕメッキし
たシリコンカーバイト繊維を整列させ、ＡＩをプラズマ
スプレィして、複合箔を製造した。前記複合箔を重ね、
６３０ｏＣで、５０ｋ９／柳２ の加圧下で９０分間真
空中でホットプレスして複合材料を製造した。この複合
材料においてシリコンカーバイト繊維を３０体積％含有
するものの引張強度は５５ｋ９／柳２と大きく、さらに
５００００で長時間加熱しても、強度の変化はなかった
。以上本発明の方法で得られたシリコンカーバイト連続
繊維強化軽金属複合材料は引張強度がきわめて大きく、
かつ弾性率も高いため、下記に示す各種材料として使用
される。

｛ａー 合成繊維用材料、例えばボビン、分離器、糸か
け、ポンプの部品、ポール、スリーブ、メカシール、弁
、ノズル、蝿梓機、反応容器、パイプ、熱交モ契機、バ
ルブ、その他。

‘ｂ｝ 合成化学用材料、例えばプランジャーポンプ、
スリーブ、メカシール、分離器、反応器弁、減圧弁、シ
ート、熱交換機、遠心分離機、低温用容器、その他。

｛ｃ）機械工業用材料、例えば熱交換機、圧粉ダイス、
超音波加工機、ホーン、ミシン部品、カム、ボールミル
部品、カメラ部品、真空ポンプ、集電子、軸受、工具、
時計部品、機械用台、その他。

【ｄ｝ 家庭用品事務用品用材料、例えば机、各種棚、
し、す、各種ロッカー、その他。

‘ｄ 建設機械用材料、例えばボーリングマシン、削岩
機、粉砕機、キャタピラー、サンドポンプ、パワーシャ
ベル、その他。

‘ｆ｝ 防災用部品、例えばスプリンクラー、はしごそ
の他。

（ｇ） 海洋開発（含宇宙）用材料、例えば、熱交換機
、アンテナ、水上標識、タンク、その他。

（ｈ） 自動車用材料、例えばエンジン、マニホルド、
デフキヤリヤ、クランクケース、ポンプボデー、ノッレ
ブボデー、クランクケース、クラッチハウジング、ミッ
ションケース、ギヤボツクス、フライホールハウジング
、シリンダーブロック、シリンダーヘッド、ピストン、
プーリー、ポンプボデー、フロワーハウジング、タイヤ
モーノンド、ロータリーエンジン、構造材、ボディ材、
その他。

（ｉ）食品用材料、例えばスーパーデカンター、バルブ
、反応器、メカシール、分離器、その他。

（ｊ） スポーツ用材料、例えばスパイク、ゴルフ用具
、テニスラケット、釣具、登山用具、スキー用具、バト
ミント．ンラケツト、ボール、その他。

（ｋ） 船舶航空機用材料、例えばエンジン、横造材料
、外壁、スクリュー、水中翼、その他。

（１）電機用材料、例えば送電用ケーブル、コンデンサ
ー、シヤーシー、アンテナ、ステレオ部品、ポール、そ
の他。（ｍ）建築用材料、例えば、窓わく、構造材料、
その他。

（ｎ） 以上のほか農機具材料、漁具用材料、原子力用
材料、核融合炉材料、大陽熱利用材料、医療器具用材料
、自転車用材料、バルブの弁、弁座、リング、棒、円板
、ライナー、ィンベンター、土砂輸送用ポンプ部品、汚
物処理用機部品、プラスチックの押出し射出用ダイス、
ノズル、反射鏡、その他に有利に使用することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合箔の漠式図、第２図はアルミニウム複合材
料の組織の顕微鏡写真、第３図はアルミニウム複合材料
の引張強度と温度との関係を示す図である。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリコンカーバイト繊維をもつて強化してなる軽金
   属複合材料の製造方法において、ケイ素と炭素を主な骨
   格成分とする有機ケイ素高分子化合物を紡系し１０００
   〜２０００℃で焼成して成り遊離炭素０．０１〜４０％
   を含有するシリコンカーバイト繊維の表面を適当な界面
   結合度を有する金属及びセラミツクスの少なくとも１種
   をもつて被覆し、この被覆繊維をアルミニウム、アルミ
   ニウム合金及びマグネシウム合金のうちから選択した何
   れか１種の金属マトリツクスに復合させて複合材料を造
   り、前記金属マトリツクス中に含有される易炭化物生成
   金属元素と前記遊離炭素とよりなる金属炭化物の生成を
   抑止したことを特徴とするシリコンカーバイト繊維強化
   軽金属複合材料の製造方法。 ２ 整列した繊維の束の間に溶融金属を浸透させて複合
   させる特許請求の範囲第１項記載のシリコンカーバイト
   繊維強化軽金属複合材料の製造方法。 ３ 型中に整列した繊維とマトリツクス金属粉末を入れ
   、ホツト・プレスして複合させる特許請求の範囲第１項
   記載のシリコンカーバイト繊維強化軽金属複合材料の製
   造方法。 ４ 金属の箔と箔の間に繊維を整列させた層を挾み、ホ
   ツト・プレスによつて拡散結合して複合させる特許請求
   の範囲第１項記載のシリコンカーバイト繊維強化軽金属
   複合材料の製造方法。 ５ プラズマの流れの中に金属粉末を射出し溶解させ、
   これを繊維上に吹付け成形して複合させる特許請求の範
   囲第１項記載のシリコンカーバイト繊維強化軽金属複合
   材料の製造方法。 ６ 繊維にマトリツクス金属を電解析出によつて付着複
   合させる特許請求の範囲第１項記載のシリコンカーバイ
   ト繊維強化軽金属複合材料の製造方法。 ７ 遊離炭素０．０１〜４０％を含有するシリコンカー
   バイト繊維の表面を酸化して酸化ケイ素被覆を形成した
   シリコンカーバイト繊維を金属マトリツクスに複合させ
   る特許請求の範囲第１乃至６項の何れか１つに記載のシ
   リコンカーバイト繊維強化軽金属複合材料の製造方法。