JPS61266536A - Ａｌ２Ｏ３―Ａｌ―Ｓｉ系複合材 - 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系複合材およびそ
の製造方法に関する。

【Ｌへ１Ｌ アルミナ系セラミック材料は硬さ、機械的強麿、耐熱性
、化学的安定性等に優れており、またＳｉＣやＳｉ３Ｎ
４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らに焼成するか、
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。

が　　しよ　と− 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、アルミナ系セラミック製品
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。

１１悲１江 この発明は、前述のような従来技術の諸欠点を解消して
、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Ａｌ２０３−Ａｌ
−Ｓｉ系複合材およびその製造方法を提供することを目
的としている。

ＲＪ目と最上− このような目的を達成するために、第１発明は、複合材
全体が均質で、かつ組成の主成分がＡｌ２Ｏ３５０〜９
０重量％、Ａｌ５〜２５重量％、ｓｉ　２〜２５重量％
であることを特徴とするＡＩＪ２０３−Ａｌ　−Ｓｉ　
’Ａｌ１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、５（０２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
或いは不活性雰囲気下で浸漬し、Ａｌと５ｉＯｚを反応
させ、その後前記Ａｌ融液の温度よりも３０〜２００℃
高い温度で加熱処理して、複合材全体を均質にしかつ組
成の主成分をＡｌ１２０３５０〜９０重量％、Ａｌ５〜
２５重量％、ｓｉ　２〜２５重量％にすることを特徴と
するＡ１１ｚＯａ　−Ａｌ−Ｓｉ系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減圧下或いは不活性雰囲気下
でＡｌにより蒸着処理し、ガラス成形体中の５ｉＯｚと
Ａ（１を反応させ、複合材全体を均質にしかつ組成の主
成分をＡ（！２０３５０〜９０重間％、Ａｌ５〜２５重
量％、８１２〜２５重伍％にすることを特徴とするｌ！
２０３−Ａｌ−３ｉ系複合材の製造方法にある。

′　るための 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、そのようなガラス成形体を減圧下或いは不活性雰
囲気中で高純度のＡｌ融液中に浸漬し、 ４ＡＩ！　＋３Ｓｉ　０２→２１ＪｚＯ３＋３Ｓｉの式
に従ってＡｌと５ｉＯｚを反応させ、ガラス成形体中の
５ｉＯｚをＡ　２２０３にＷＩ！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、Ａｌ融液の温度よりも３０〜２００℃高い温度
で減圧中或いは不活性雰囲気中に加熱処理する。

それにより、複合体に付着している過剰のＡｌ溶融液を
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→２Ａｆ１２０
ｓ＋３ｓｉの式に従ってＡｌと５ｉＯｚを反応させ、ガ
ラス成形体中の５ｉＯｚをＡ　９２０　ｓに置換する。

以上の２種類の製法で得られた複合体は、いずれも、Ａ
ｌ２０ｇ　−Ａｌ−Ｓｉ系複合材であり、組成の主成分
は、Ａ　１１２０３が５０〜９０重量％、Ａｌが５〜２
５重川％、用ｉが２〜２５重量％である。

なお、この明細書では、ｒＡｌｚｏｓ　−Ａ！Ｑ−３ｉ
系」という表現は最も広義に使用しており、主成分がＡ
ｈＯｓ　、Ａｌおよび３ｉであることを意味するもので
あり、したがって主成分でない未反応の５ｉＯｚを含む
こともあり、すべて本発明の範囲内に入る。

望ましくは、この発明によるＡＩＪｚＯ３−Ａ（１−Ｓ
ｉ系複合材のガス透過率は１％以下にする。

このようなＡｌ２２０３−Ａｌ−Ｓｉ系複合材の組成は
、ガラス成形体のＡｌ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。たとえば、浸漬方法の場合、浸漬時間が経過
するとともにＡｌによって還元生成した３ｉがへ９融液
中に溶けるので、浸漬時間が長くなると、それだけ３ｉ
の含有最が減少するのである。

また、ＡｌｙＯ３１，ｌ！およびＳｉの組成を前述のよ
うに限定した理由を説明すれば、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、ガラス成形体をへ９融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
ストが大巾に上昇する。

（２）Ｓｉが２５％よりも大きい場合、Ａｌが５ｉｎ２
と置換しにくくなり、その結果、Ａ　Ｑ２０３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）ＡＩｌｚＯ３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）Ａｌ２２０３が９０％よりも大きい場合、靭性が
極端に劣り、脆くなる。

（５）Ａｌが５％よりも少ない場合は、Ａｌ２Ｏ３およ
び３ｉの量が多くなり、反応が遅くなる。また、靭性が
劣る。

（６）Ａｌが２５％よりも大きい場合、耐摩耗性が低下
する。

なお、第１図はこの発明によるＡｌ１２０３−Ａｌ−Ｓ
ｉ系複合材の微細構造の切断研磨面を示プ倍率８００倍
の顕微鏡写真である。三次元網状のマトリックス（Ａｌ
２０３）の間にＡｌｌとＳｉの固溶体が密に存在してい
る。

第２．３および４図は、それぞれ、この発明によるＡｌ
ｚＯ３−Ａｌ−Ｓｉ系複合材からＡｌとＳｉの固溶体を
除去して三次元網状のＡ　１１２０３マトリツクスのみ
を示す倍率１０００倍、２０００倍および７０００倍の
顕微鏡写真である。

支ＵＬＬ 第５図はこの発明によるＡｈＯｓ−Ａｌｌ　−３ｉ系複
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製
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の上部は上下部′＃ＪＷ１構１３に連結されて
いて、昇降可能となっている。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族の
バイブ１１が配置しである。

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、Ｓ＋０２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
圧下で純度９９．９％のＡｌ溶融液１２中に３０分だけ
７５０℃で浸漬し、 ４Ａｌ　＋３Ｓｉ　０２→２ＡｌｚＯ３＋３Ｓｉの式に
したがってＡｌと５ｉＯｚを反応させ、ガラス成形体７
中の５ｉＯｚをＡ　Ｒ２０３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の温度よりも３０〜２
００℃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。

以上の製造方法で得られた１つのＡ　Ｒ２０３−１−Ｓ
ｉ系複合材の性質は表１に示すとおりであった。

友１ｍと 第６Ｆ１１ｔ、：（７）Ｒ１１１Ｊｋ：ＪニルＡｆ！ｚ
ｏ３−Ａｌ　−Ｓｉ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
方部が閉じられている。その内部には高純度カーボン族
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及びガラス成形体７の外側にはヒータ１０
が螺旋状に配置しである。

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、まず円管状のプリフォームをつくる
。すなわち、５ｉＯｚを主成分とするくたとえば石英ガ
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の減圧下の反応容器１内で保持する。その間、純
度９９．９％のＡｌ溶融液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　Ｏｚ→２ＡｂＯａ＋３Ｓｉの式にし
たがってｌと５ｉＯｚ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。

１１九工 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。

ユＪ目と旌１一 本発明によるＡＩ！２０３−Ａｌ−Ｓｉ系複合材は、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ｉ１１滑性を大ＩＪ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△（１２０３
−Ａｌ−Ｓｉ系複合材の比重は大巾に小さい。

【１１ 本発明によるＡｈＯ３−Ａｌ−３ｉ系複合材は、靭性お
よび軽量を必要とする航空機の構造材、セラミック・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、本発明によるＡｌｚＯ３−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Ａｌ！２０３−Ａｌ−Ｓｉ系複合材は、
Ａｌ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図はこの発明によるＡｌ２０３−Ａｌ　−Ｓｉ系複
合材の微細構造の断面を示す顕微鏡写真、第２〜４図は
第１図に示した複合材のＡ　ｈ　Ｏ３マトリツクスのみ
を示す倍率の異なる顕微鏡写真、第５図は本発明方法を
実施するための反応炉の一例を示す概略説明図、第６図
は本発明の別の方法を実施するための蒸着装置の一例を
示す概略説明図である。 １、、、、、反応容器 ２、、、、、ルツボ ３．５２１．シャッター ４、、、、、出入れ部分 ７、、、、、ガラス成形体 １２、、、、Ａｌ！融液 表１ 弾」暁値４］舅）０，４゜５０ 均７二」仲史λχ、ｇ、ｐ／＝＝、、、、、、、、、、
、、＞、、、、、、、、、、、、、、、、、−７、８１
ＱＱ（）　、。 療り拡人係数の賜界１．．．．．−＜ｙＮ、、、・’、
、、、！１１．．．．．．．．．、、、、、、、、、、
、）　　　　９．、、！３．．．，２゜スＬす態、χリ
フイｃｃ）、　　−、−、、−−：３．、−＝ｊ（Ｑ　
　　−怨別律皐〈７’Ｈχ＝　　　　　−１，−Ｑ×１
０−．２　−第１　ミ゛〈１ イ’；　’ｔ”　’＝・・ｌ 第ζろ図 第、’４．　ｔ；、３ ＄　５１ｚ”’嘱 Ｕ、ｉｉ゛゛ −丁゛　糸ダＬ　軒ＩＮ　　ｊ−Ｅｉ　　　−科昭和６
′１年５月２１［］］ 特許Ｊ）−１ま官　宇買）−０部　殿 ２ｏ発明の名称 Ａ　Ｄ　２０３−　ＡΩ−５５１系複合材２１゛ｊ上（
トイの　胃　）告　ノＪ　ン人 ３玉、補ｉＥ　ｔ　□−’ｊ−る名 小件ノ、の関係　　　　　　　特８１出番１人”Ｆ１６
ｊ東京Ｐａ〜各１１１宿１４四♀１ｊ宿１１”ｆ、１２
６前二・＋）　Ｌ３４、自発補正 Ｉ）７・、５．２．９−” ５〕。補ｊ１−の対ψ 明細ｉηのプｉ明の訂創イｌ：説明の欄６、補１ｌ−４
７）山谷 （１）朗１０１ξ中第６　、ｉＨ＜−ｉイｒ　１ｌｌｌ
ｌｌ　１ｓＡ３いＺ「高独ｊ立の１どｈ　Ｚｓ　＜ｙ、
ｆ’　：ｌ：％　ｌｌ’４　ｉｌ￥（例えｉ；ｆ　９　
ｇ　１：）（、以Ｉ、々１゛２土Ｉ、・、：はＮｉ１Ｎ
　９　、５．）％にＮ）の１と８１１１リイ）９゜（２
）明細占中筒ン′真・１行１ｌ１１．ｌ　を高ＩＩＩ′
ｉ庶−１０後（、・二１゛（例λ１１、長′□　ｑ　、
　５．）　９６以り１を仲人？する１゜（：３）明１＋
ｉ　＄’ａ中第中筒　＠　りＰｉ口（１）袴！＝−，、
Ｖ：）、！１４、本発明（用いりイ′ｌするこ；　＋　
０２　Ｓ・−１成分とｉＪるが−〉ズ成形体としＣｔ、
、ｔ、？゛−１英））“ンスの（Ｉｕ４△０２Ｃ）：＋
。 １’Ｊ　　ａ　　２　　Ｑ　　ｉしン？シ　　い　ｉＪ
　　（：ｌ’　ａ　　Ｑ　　％　　づ（−＊　ｅ　　ｉ
、、ｙ　　〕、’、　　ｔ　（ｉ　　　０　２　　、Ｖ
１％ガニ：／メ、（”パ〕’＞　Ｊ謎い＋Ｉ　Ｊ　ｔ−
ｉｉＩ人弓で５゜７（４）明細、１中Ｅ；′１７．１″
λ１・４．イ１１１１ノ〉偵（４′□、１まＩ、１、本
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；ｊノミ）勺合材；１沫、曲げ弓吊、へ３８０・・／１
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Ｌｍ二゛、　４５力拡人係２々の臨？−（向　（ＫＩＣ
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ｉｔ　　中３、／）！’）−・５・３．　　ｆ１５　（
、’）リ　、１、・′Ｃ（μ：１、弓ａ　　、１　’＝
ｂ　１重入弓−る１、（ｊ５）明細ｍ中箱１１　：ｍ　
１７・・’ｌ　Ｆ’、行目に（ｔ・ンい７、−「高純度
）、１〜ボ、／製のバイブＪとｄうる４・、［白熱バイ
ブ（例λ、ば１務純度カ　ボン製のバイブ）−１と訂１
１９る。。 （６）明ａ＋書中筒１３　Ｄｒ　ｉ　４　ｉ”’ｊ　ｉ
　Ｉ、−Ｊ’３　イ（［ｉｐ合材の性質１どあイ）（１
：、１Ｎ合（・オ（！１１．７（５Φｈ、し）ｉ′。 のＡ　ｉｔ　２０　ａ　、’１　（、ｉ　ｊｌＩｈ仝％
のΔｐおＪ、Ｃｆ　ｆ３７１脅Ａ　９’ｌ’１のＳｌよ
りな・−）でい１１二５．ま１．−１このｐ１合材の性
質！どｉｉＪ　ｉＴ、づる。 （’；’　）明細占中筒１６　Ｍ　ｆ、ｉ行目ｆ７）　
４１１４”：、ｉ”’　ｊｆｌ　ＯれたΔＱ２０３−△
Ω−Ｓｉ系複合材は、７４小吊％のＡβ２０：逼ＨＩ　
Ｊ、：小量％のＡ　、Ｑおよでｆ　ｉ　１ｉｆｉｆｆ１
％の３ｉＪ、りなり、４００　Ｍ　ｒ’　Ｑの曲げ強さ
を右し′（いた。」イ［挿入１する。 −Ｆ−本人　ネＦＩｊｉ、、ｌ’、”’、ｇ、　　３ｒ
す１１ｊ（和ｆ′）−！　ｉｆ　６月２　Ｆ、、１待訂
ハ校官　宇背）り部　殿 １、ｊハ￥１の壱小 ｎｉ’！和００年’ｌ＝４　ｉｉ’ｌ願第１　Ｑ　６５
：）　’、３　”ｌツー；２゜発明の８杓１ ＡｆｌｐＯ：ｌ−△Ｑ−：１１　糸ｉり合材、ｉり、ｊ
、げ二Ｊ［の製造１’ｉｉ、へ ；３．袖１１−を−ｉｊ’　（，５古 ルイ′↑との関係　　　　　　　特Ｑ’Ｆ出ｉＫｉ人”
１−１（述　東ｊ；ミ１）ｊ；所ｔａ　［７西新１１：
・１１１　目１）（“ｉ損・：゛）ニー４４、ｎ発補＋
Ｙ− ５、補正の対虫 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 （１）明細書中表１を以下のように訂正する。 表１ 応力拡大係数の臨界値（Ｋｒｃ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複合材全体が均質で、かつ組成の主成分がＡｌ＿
   ２Ｏ＿３５０〜９０重量％、Ａｌ５〜２５重量％、Ｓｉ
   ２〜２５重量％であることを特徴とするＡｌ＿２Ｏ＿３
   −Ａｌ−Ｓｉ系複合材。
2. （２）ＳｉＯ＿２を主成分とするガラス成形体を高純度
   のＡｌ融液中に減圧下或いは不活性雰囲気中で浸漬し、
   ＡｌとＳｉＯ＿２を反応させ、その後前記Ａｌ融液の温
   度よりも３０〜２００℃高い温度で加熱処理して、複合
   材全体を均質にしかつ組成の主成分をＡｌ＿２Ｏ＿３５
   ０〜９０重量％、Ａｌ５〜２５重量％、Ｓｉ２〜２５重
   量％にすることを特徴とするＡｌ＿２Ｏ＿３−Ａｌ−Ｓ
   ｉ系複合材の製造方法。
3. （３）ＳｉＯ＿２を主成分とするガラス成形体を減圧下
   或いは不活性雰囲気中でＡｌにより蒸着処理し、ガラス
   成形体中のＳｉＯ＿２とＡｌを反応させ、複合材全体を
   均質にしかつ組成の主成分をＡｌ＿２Ｏ＿３５０〜９０
   重量％、Ａｌ５〜２５重量％、Ｓｉ２〜２５重量％にす
   ることを特徴とするＡｌ＿２Ｏ＿３−Ａｌ−Ｓｉ系複合
   材の製造方法。