JPS61266534A - Ａｌ↓２Ｏ↓３−Ａｌ−Ｓｉ系の複合材とその製造方法 - 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】 、・、の この発明は、ＡｌｚＯ３−Ａｌ−Ｓｉ系の複合材とその
製造方法に関する。

１Ｌ丸え１ アルミナ系セラミック材料は硬さ、機械的強度、耐熱性
、化学的安定性等に優れており、またＳｉＣやＳｉ　３
　Ｎ４のセラミック材料と比較しても耐熱性が劣ってお
らず、しかも安価に得られることから、工業用セラミッ
ク材料として広く用いられている。

従来、アルミナ系セラミック製品は、単結晶ファイバー
を除き、粉体を所定形状に成形したのちに焼成するか、
あるいは成形と焼成を同時に行うことによって製造して
いた。

第１図に示すように、従来のアルミナ系セラミック材料
は、単純形状をした粒状体１がマトリックスを構成して
いる。

が　　しようとする　　。

従来のアルミナ系セラミック材料には次のような欠点が
あった。

（１）硬いため加工性が劣る。

（２）脆性の強い材料であるため衝撃に弱い。

一般的にいって、セラミック材料は破壊靭性値が金属に
比べ大巾に劣っている。

（３）複雑形状の製品を精密に成形加工するのが困難で
ある。

（４）焼成温度が１５００〜１９００℃と高い。

（５）焼成収縮が大きい。

（６）耐熱衝撃性が小さい。

（７）金属に比べて潤滑性が劣っている。

このような欠点があるため、アルミナ系ヒラミック製品
は、多くの優れた基本的特性を有しながら、強度特性と
か機械的な信頼性が厳しく要求される複雑形状の構造材
としては使用が困難であった。

Ｌ１飢ｌ江 この発明は、前述のような従来技術の欠点を解消して、
複雑な形状であっても強度特性や機械的な信頼性を低下
させずに、しかも安価に製造できるＡ！！２０３−Ａｌ
−Ｓｉ系の複合材とその製造方法を提供することを目的
としている。

０−」Ｌ このような目的を達成するために、第１発明は、Ａ　Ｑ
２０３の複雑形状の長尺体が互いに連結されて連続する
ことにより全体としてマトリックスを構成し、そのマト
リックスにＡｌと３ｉの固溶体が密に設けられているこ
とを特徴とするＡｌ２０３−Ａｌ−Ｓｉ系の複合材を要
旨としている。

さらに、第２発明の要旨とするところは、ＳｉＯ２を主
成分とするガラス成形体を高純度のＡｌ融液中に減圧下
で浸漬し、ＡｌとＳｉ　０２を反応させ、その後前記Ａ
ｌ融液の温度よりも高い温度で減圧中に加熱処理するこ
とを特徴とするＡｌ２０３−Ａ！Ｑ−３ｉ系の複合材の
製造方法にある。

また、第３発明の要旨とするところは、Ｓｉ　０２を主
成分とするガラス成形体をＡｌで蒸着処理し、ガラス成
形体中のＳｉＯ２とＡｌを反応させることを特徴とする
Ａｌ２０３−Ａｌ−ｓｒ系の複合材の製造方法にある。

、を　゛するための 第２図は、この発明によるＡｌ２０３−Ａｌ−３ｉ系複
合材の微細構造を示す断面図で、第３図はその複合材の
切断面（ダイヤモンドペーストによる研磨面）を示す倍
率８００倍の顕微鏡写真である。

この明りＩｌ書ではｒＡｌｚｏ３−Ａｌ−Ｓｉ系」とい
う表現は最も広義に使用しており、Ａｌ２０３　、Ａｌ
および５ｉが主成分であることを意味し、主成分以外の
未反応の５ｉＯｚを含むこともあり、すべて本発明の範
囲に入る。

第２〜３図からも明らかなように、この発明によるＡｌ
２０３−Ａｌ−Ｓｉ系の複合材は、Ａ　Ｑ２０３の複雑
形状の長尺体３が互いに連結されて連続することにより
全体としてマトリックスを構成し、そのマトリックスに
Ａｌと３ｉの固溶体４が密に設けられている。

第４〜６図は、それぞれ、本発明による複合材からＡｌ
と３ｉの固溶体４を完全に除去して八９２ｏ３のマトリ
ックスのみを示す倍率１０００倍、２０００倍および７
０００倍の顕微鏡写真である。

第４〜６図からも明白なように、Ａ　Ｑ２０３の長尺体
３からなるマトリックスは、全体として三次元網状にな
っている。Ａ　１１２０３の長尺体３が種々の三次元方
向にランダムに向（ように不規則に配置されている。し
かも、Ａ２２０３の長尺体３は規則的な一定形状でなく
不規則な形状をしていて、各々が比較的偏平になってい
る。

この発明による複合材の製造方法について述べると、ま
ず５ｉＯｚを主成分とするガラス成形体（例えば石英ガ
ラス）をつくり、必要に応じて所望の形状に加工する。

そして、そのガラス成形体を減圧下または不活性雰囲気
下で高純度のＡｌ融液中に浸漬し、 ４Ａｌ　＋３Ｓｉ　０２→２ＡＩｌｚＯ３＋３Ｓｉの式
に従ってＡｌとＳｉＯ２を反応させ、ガラス成形体中の
５ｉＯｚをＡ　Ｉ２２０３に置換する。その結果、複合
体ができる。その後、Ａｌ融液から複合体を取り出し、
さらに、へ９融液の温度よりも３０〜２００℃高い温度
（たとえば７８０〜９５０℃）で減圧中に加熱処理する
。それにより、複合体に付着している過剰のＡｌ融液を
揮散させるとともに、未反応のＳｉＯ２をＡｌと反応さ
せる。しかも、複合体中に残留している歪みを除去する
。

また、別の製造方法をのべれば、前述のようなガラス成
形体を減圧下で高純度のＡｌ融液を使用して蒸着処理す
ることにより、４Ａｌ　＋３Ｓｉ　０２→２ＡＩｌｚＯ
ｓ＋３Ｓｉの式に従ってＡｌと５ｉＯｚを反応させ、ガ
ラス成形体中のＳｉＯ２をＡ　１１２０３に置換する。

以上の２種類の製法で得られた複合体は、ＡｈＯｓ　−
Ａ’Ｊ−Ｓｉ系複合材であり、好ましくは、Ａ　Ｑ２０
　ｓが５０〜９０重」％、Ａｌが５〜２５重量％、３ｉ
が２〜２５重量％の組成にする。このようなＡＩＪｚＯ
３−Ａｌ　−Ｓｉ系複合材の組成は、ガラス成形体のＡ
ｌ融液中での浸漬時間やガラス成形体への蒸着時間を変
化させることによって調節することができる。

また、この発明によるＡｌ１２０３−Ａｌ　−Ｓｉ系複
合材のガス透過率は１％よりも小にするのが望ましい。

ちなみに、Ａｌ１２０３　、Ａｌ　オＪ：ヒｓｉ　１７
）Ｉｌｌ成を前述のように限定する理由について付言す
れば、つぎのとおりである。

（１）Ｓｉが２％よりも少ない場合、強度特性に影響は
ないが、ガラス成形体をＡｌ＠液に浸漬する時間や蒸着
する時間を極端に長くしなければならなくなり、製造コ
ストが上昇する。

（２）Ｓｉが２５％よりも大きい場合、ＡｌがＳｉＯ２
と置換しにくくなり、その結果、Ａ　＋１２０３のマト
リックスが充分に生成せず、機械的強度が低くなる。

＜３）ＡｌｚＯ３が５０％より小の場合、機械的強度お
よび耐熱性が低く、また耐摩耗性が劣る。

（４）ＡｌｚＯ３が９０％よりも大きい場合、靭性が劣
り、脆くなる。

（５）Ａｉｌが５％よりも少ない場合は、ＡＵ２０３お
よびＳｌの量が多くなり、反応が遅くなる。また、靭性
が劣る。

（６）Ａｉｌが２５％よりも大きい場合、耐摩耗性が低
下する。

１ｉ九上 第７図はこの発明によるＡｌ１２０３−Ａｌ　−３ｉ系
の複合材を製造するための反応炉の一例の概略を示して
いる。

石英ガラス製の反応容器１は上部が開放されていて、下
方部が閉じられている。その内部には高純度カーボン類
のルツボ２が配置しである。反応容器１の上部にはシャ
ッター３が設けである。シャッター３の上部には出入れ
部分４が設けである。出入れ部分４の側部には別のシャ
ッター５が設けである。出入れ部分４とシャッター３を
貫通して線状の保持器６が垂直に配装できるようになっ
ている。

保持器６の上部は上下駆動機構１３に連結されていて、
昇降可能になっている。保持器６の下方部はガラス成形
体７を保持するようになっている。

また、反応容器１の上方側部には排気口８が形成してあ
って、真空ポンプ９に接続しである。

さらに、反応容器１の外側にはヒータ１０が螺旋状に配
置しである。ヒータ１０は、ルツボ２付近に比較して、
そこよりも上方のところで密に配装して、ルツボ２の上
方でより高温に加熱しうるようになっている。その高温
加熱領域に高純度カーボン類のバイブ１１が配置しであ
る。

符号１２はルツボ２に収容されている純度９９．９％の
Ａｌ融液を示している。

なお、ルツボ２やバイブ１１を支持するための手段は図
の簡略をはかるため図示を省略している。

使用にあたっては、まず円筒状のプリフォームをつくる
。すなわち、５ｉＯｚを主成分とする（たとえば石英ガ
ラス製の）一体物、ウィスカ束、ファイバー束その他種
々の円筒状のガラス成形体７をつくる。シャッター５を
開けて、そのガラス成形体７を保持器６の下端に取りつ
け、しかるのちシャッター５を閉じる。つぎはシャッタ
ー３を開けて、保持器６の下端を下降させることにより
、そのようなガラス成形体７を１０〜１５Ｔｏｒｒの減
圧下または不活性雰囲気で純度９９．９％のＡｌ融液１
２中に３０分だけ７５０℃で浸漬し、 ４Ａｌ　＋３Ｓｉ　０２→２ＡＩ１２０３＋３Ｓｉの式
にしたがってＡｌとＳｉＯ２を反応させ、ガラス成形体
７中の５ｉＯｚをＡ　Ｑ２０３に置換し、複合体を得る
。その後、保持器６の下端を上昇させて、Ａｌ融液１２
から複合体を取り出し、さらに、バイブ１１のところま
で上昇させて、そこでＡｌ融液１２のＷＡｒ！１よりも
３０〜２００℃高い温度（つまり７８０〜９５０℃）で
前述の減圧下で加熱処理する。

そのあと、保持器６の下端をさらに上昇させることによ
り複合体を出入れ部分４まで上昇させ、シャッター３を
閉じる。そのあと、シャッター５を開け、複合体を保持
器６から除去する。

以上の製造方法で得られたＡｌ２０３−Ａｌ−３ｉ系複
合材の一例の性質は表１に示すとおりであった。

ＬＬＬ 第８図はこの発明によるＡ１１２０３−Ａｌ　−３ｉ系
複合材を製造するための蒸着装置の一例の概略を示して
いる。

石英ガラス製の反応容器１は上部が開放されていて、下
方部が閑じられている。その内部には高純度カーボン類
のルツボ２が配置しである。反応容器１の上部にはシャ
ッター３が設けてあφ。シャッター３の上部には出入れ
部分４が設けである。出入れ部分４の側部には別のシャ
ッター５が設けである。出入れ部分４とシャッター３を
貫通して線状の保持器６が垂直に配装できるようになっ
ている。

保持器６の上部は実施例１と同じように上下駆動機構１
３に連結されていて、下方部は円管状のガラス成形体７
を保持する。また、反応容器１の上方側部には排気口８
が形成してあって、真空ポンプ９に接続しである。さら
に反応容器１およびガラス成形体７の外側にはヒータ１
０が螺旋状に配置しである。

符＠１２はルツボ２に収容されている純度９９．９％の
Ａｌ融液を示している。

なお、ルツボ２を支持するための手段は図の簡略をはか
るため図示を省略している。

製造にあたっては、まず円管状のプリフォームをつくる
。すなわち、ＳｉＯ２を主成分とする（たとえば石英ガ
ラス製の）ガラス成形体７を円管形状に加工する。シャ
ッター５を開けて、そのガラス成形体７を保持器６の下
端に取りつけ、しかるのちシャッター５を閉じる。つぎ
はシャッター３を開けて、保持器６の下端を下降させる
ことにより、そのようなガラス成形体７を１０〜１５Ｔ
ｏｒｒの減圧下または不活性雰囲気下の反応容器１内で
保持する。その間、純度９９．９％のＡｌ融液１２が加
熱されて蒸発し、ガラス成形体７に蒸着する。それによ
り、 ４Ａｌ　＋３Ｓｉ　０２→２ＡｌｚＯ３＋３Ｓｉの式に
したがってＡｌとＳｉＯ２を反応させ、ガラス成形体７
中の５ｉＯｚをＡ　Ｑ２０３に置換し、複合体を得る。

そのあと、保持器６の下端をさらに上昇させることによ
り複合体を出入れ部分４まで上昇させ、シャッター３を
閉じてからシャッター５を開け、複合体を保持器６から
除去する。

１１九１ 前述の実施例２にあってはガラス成形体７が円管形状の
プリフォームであったが、それに代えて、本実施例では
バルク状の石英ガラスウールを使用する。そして、実施
例２と同一の蒸着装置を使用して、石英ガラスウールを
蒸着処理する。

■」「ｎｌ」Ｌ 本発明によるＡｌｚＯ３−Ａｌ−Ｓｉ系の複合材は、複
雑な形状であっても容易に製造することができるばかり
でなく、機械的強度、耐摩耗性が高いとともに、従来の
セラミック材料に比較して靭性や潤滑性を大巾に向上さ
せることができる。したがって、複雑形状の製品の大型
化をはかつても、割れの心配がなくなった。

また、金属と比較すると、この発明によるＡｌ２０３−
Ａｌ−３ｉ系複合材の比重は大巾に小さい。

区」」（ 本発明によるＡｆｆｚＯ３−Ａｌ−Ｓｉ系の複合材は、
靭性および軽量を必要とする航空機の構造材、オールセ
ラミックスのエンジン、防弾チョッキ、戦車のそう甲板
、ゴルフクラブのフェース、バイオセラミックス等に最
適である。

また、本発明りにるＡ（！ｚｏｓ　−Ａｌ　−Ｓｉ系複
合材は、潤滑性と耐摩耗性がよいので、メカニカルシー
ルや、つり糸リングとしても最適である。

また、本発明のＡｌ２０３−Ａｎ−Ｓｉ系複合材は、Ａ
ｌと３ｉを含有しているので、発熱体としても使用可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアルミナ系セラミック材料の微細構造を
示す断面図、第２図はこの発明によるＡｌ１２０３−Ａ
ｌ−Ｓｉ系複合材の微細構造を示す断面図、第３図はこ
の発明によるＡｌ１２０３−Ａｌ−Ｓｉ系複合材の微細
構造の断面を示す顕微鏡写真、第４〜６図は第３図に示
した複合材のＡ　Ｉｌｚ　Ｏ３マトリツクスのみを示す
互に倍率の異なる顕微鏡写真、第７図は本発明方法を実
施するための反応炉の−例を示り一概略説明図、第８図
は本発明の別θ、）方法を実施づ゛るｌＪ：めの蒸着装
置の一例４゛示１概略説明図７ｉある。。 １、、、、。反１δ容器 ２０２．７゜ルツボ ３．５−０、シャッタ〜 ４゜０２０．出入れ部分 ７、、、、。ガラス成形体 ｉ２．、、、Ａ！！融液 三１ｔ１ 虹３ｉａ（ＭＶ）ａ）　−−−−４５−）。 カッ５Ｊ丸く０／ＣＣ〉　１．　　、　　　　　　７−
３．４Ｑ。。 宍簀すドリＪ■葺＠数−（／＄、ン　−−、−１−Ｑｘ
　　１−Ｑ′″Ｇ、。 第１　図 体６図 第４図 第５図 第６因 第７図 ［２，１３ 第８図 手続補正μｍ（自斤） 昭和６０年５月２３目 昭和（３０年：′５月２１１」イ”ｔ　Ｊ！ｕ出の特許
願（’＋２＞（後記ｌへ、し） 。発明の名称 Δ１ｌｚｏ：＋−Ａｌ−・３ｉ系の複合材とその製造方
法 、補正をづ゛る省 事件との関係　特許出願人 住所　東京都新宿区西新宿１−２６−２名称　東芝セラ
ミックス株式会社 。代理人 ５、補正命令の日付 なし ６゜補正の対象 明細書の「図面の簡単な説明」の欄と 図面。 ７゜補正の内容 別紙のとおり。 （１）明細書１９ペ一ジ３行目の「説明図である」を「
説明図、第９図は第４〜６図に示した多孔体の気孔の特
徴を示すグラフであるＪに補正します。 （２）第９図を追加補正します。 第９図 気孔半径 手続補正口 昭和６１年３月２６日 特許庁長官　　宇　　賀　　道　　部　　殿　　　番１
、事件の表示 昭和６０年特許願第１０６９４２号 ２、発明の名称 Ａβ２０ａ−Ａρ−３ｉ系の複合材とその製造方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　　　　　特許出願人〒１６３東京都
新宿区西新宿１丁目２６番２月４、自発補正 、〆一一一一＼ ５、補正の対菜 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 （１）明細謹中第７頁１４行目において「高純度の」と
あるを、「高純度（例えば９９％以上、好ましくは９９
．９％以上）の」と訂正する。 （２）明細書中筒８頁９行目「高純度Ｊの後に「（例え
ば９９．９％以上）」を挿入する。 （３）明細書中筒８頁１４行目の後に、「また、本発明
で用いられるＳｉＯ２を主成分とするガラス成形体とし
ては、石英ガラスの他ＡΩ２０３、Ｎａ２ＯあるいはＣ
ａＯ等を含有したＳｉＯ２系ガラスでも良い。」を挿入
する。 （４）明細書中筒１０頁１２行目の後に、「得られたＡ
１１１２０３−Ａｊｌ−Ｓｉ系複合材は、曲げ強さ３８
０〜４９０ＭＰａ　、ビッカース硬度１３２ｏ〜３．６
０（１／ＣＣを示す。」を挿入する。 （５）明細用巾乗１２頁２行目において「高純度カーボ
ン製のパイプ」とあるを、「均熱バイブ（例えば高！１
１ｉ度カーボン製のバイブ）ｊと訂正する。 （６）明細書中筒１４頁１行目において「複合材の一例
の性質Ｊとあるを、「複合材は、７６重ＦＪ−％ｆ）Ａ
　ｆＪ　２０３．１６１１ａｉ％（７）Ａ　Ｑ　、８重
ｆｆ１％のＳｌよりなっていた。また、この複合材の一
例の性質」と訂正する。 〈７）明細書中東１６頁１１行目の後に、「得られたＡ
Ｎｚ　Ｏｗ＋−／１ｌ−３ｉ系複合材ハ、７４重爵％の
ＡΩ２０３．１５重口％のＡΩおよび１１重Ｒ％の１よ
りなり、４００ＭＰａの曲げ強さを有していた。」を挿
入する。 （８）明４１１Ｉ書中表１を以下のように訂正する。 応力拡大係数の臨界値（Ｋｒｃ） 熱ｐｉｊ服係数（／’Ｃ）　　　　　１０Ｘ１０−’手
続補正書 昭和６１年３月３１日 １、事件の表示 昭和６０年特許願第１０６９４２号 ２、発明の名称 Ａρ２０３−ＡΩ−Ｓｉ系の複谷材とその製造方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　　　　　特許出願人〒１６３東京都
新宿区西新宿１丁目２６Ｍ２号４、自発補正 ５、補正の対像 昭和６１年３月２６日提出の手続補正四〇、補正の内容 （１）補正の内容（４）５行目において［５゜８〜６３
８ＭＮ／ＩＩｖｎ町とあるを、ｒ５．８〜６゜８　Ｍ　
Ｎ　／ｍ’ｊと訂正する。 （２）補正の内容（７）４行目において「１重間％のｉ
」とあるを、「１重量％のＳｉ　Ｊと訂正する。 （３）補正の内容（８）の表１を以下のように訂正する
。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａｌ＿２Ｏ＿３の複雑形状の長尺体が互いに連結
   されて連続することにより全体としてマトリックスを構
   成し、そのマトリックスにＡｌとＳｉの固溶体が密に設
   けられていることを特徴とするＡｌ＿２Ｏ＿３−Ａｌ−
   Ｓｉ系の複合材。
2. （２）ＳｉＯ＿２を主成分とするガラス成形体を高純度
   のＡｌ融液中に減圧下で浸漬し、ＡｌとＳｉＯ＿２を反
   応させ、その後前記Ａｌ融液の温度よりも高い温度で減
   圧中に加熱処理することを特徴とするＡｌ＿２Ｏ＿３−
   Ａｌ−Ｓｉ系の複合材の製造方法。
3. （３）ＳｉＯ＿２を主成分とするガラス成形体をＡｌで
   蒸着処理し、ガラス成形体中のＳｉＯ＿２とＡｌを反応
   させることを特徴とするＡｌ＿２Ｏ＿３−Ａｌ−Ｓｉ系
   の複合材の製造方法。