JPS6141745A - 繊維強化低熱膨張性複合材料 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はｍＭ！強化低熱膨張性複合材料に係り、特に金
属及び／メはその合金と膨張率の低いＬｉ　ｙ　０−Ａ
ｌａ　０３−５　ｉｏ２系鉱物粉末とを複合せしめるこ
とによって、金属及び／又はその合金の有する熱膨張率
を低下させるようにし、力°）つこれに高強度のＭｌ維
を複合させることにより、高強度、高弾性を付与するよ
うにした繊維強化低熱膨張性複合材料に関するものであ
る。

［従来の技術］ 従来、低熱膨張材料としては金属では各種測定器、バイ
メタル及び時計等の部品の材料として使われているアン
バー合金がある。しかしながらこのアンバー合金は比重
が８〜８．５ｇ／ｃｒｎ’と大きく、価格が高いと共に
加工性にも問題がある。

またセラミックの低熱膨張材料としてはアルミニウムチ
タネート、ペタライト等が知られているが、これらはい
ずれも機械的強度が小さく、また熱履歴性を有するため
、精密機器部品等としての使用は困難である。

ところで一般に２種以上の素材を複合してなる複合体に
おいては、個々の素材の特性の体積分率に比例して複合
体の特性が定まると言われている。これがいわゆる゛複
合剤である６例えば、ｎ個の素材からなる複合体の熱膨
張率α　に関しては次式のようになる。

・・・・・・（１） （１）式において、αはｐ％膨張率、■は体積分率、Ｋ
は体ｔａ弾性率を表し、工ないしｎの添字は１ないしｎ
番目の素材に係ることを示す。

従って熱膨張率の低い鉱物の粉末と金属及び／又はその
合金、そして更に第３成分であるウィスカー等の強化用
繊維を複合させる際、（１）式が効果的に利用できるも
のと考えられる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記複合剤は、構成素材間に相互作用が
全くないことを前提としており、実際の複合材料におい
ては、界面拡散相、製造プロセスに生じる残留応力相、
それに複合材料の構成素材間の熱膨張率と弾性率の差に
よる界面の熱応力等の因子が作用し、目標とする特性の
複合材を得ることは容易なことではない。

例えば金属と低熱膨張性の鉱物粉末とを複合させても、
加工性に富み高強度の低熱膨張性金属複合材料を得るこ
とは困難である。そのため従来、金属と低熱膨張性の鉱
物粉末とを組み合わせることにより両者の特徴を兼ね備
えた複合材料を製造しようとする試みはあまり行なわれ
ず、金属及びその合金と低熱膨張性の鉱物粉末との組み
合わせに、更にセラミ−７り単結晶Ｉａ！ｉ　（以下、
「ウィスカー」という、）等の繊維を添加して強化する
ことによって、その王者の特徴を兼ね備えた複合材料を
製造しようとする試みはなされなかった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記実情に鑑み、アンバー合金に比し極度に比
重が小さく、かつ安価で製造でき、加工性に富み、また
熱履歴性が小さく高強度で高弾性のｌａ雌雄強化低熱１
膨張複合材料を提供するべくなされたものであり、 Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＭＯ，Ｔｉ、Ｃｒ。

れらの金属のうち２種以上の金属の合金からなる群から
選ばれる１種又は２種以上４０〜９０重量％並びニＬ　
ｉ　＝　Ｏ−Ａ　ｌ　２０３−　Ｓ　ｉ　Ｏ２系鍼物粉
末１０〜６０重景％を含んでなるマトリックス組成物７
０〜９９体積％と、 ガラス繊維、セラミックｍｒａ、金属ｍ雄、金属−セラ
ミック複合繊維及びセラミック単結晶繊維からなる群か
ら選ばれる１種又は２種以上の繊維１〜３０体積％と、 を含んでなることを特徴とするｍｔａ強化低熱膨張性複
合材料、 を要旨とするものである。

以下本発明の構成につき、さらに詳細に説明する。

本発明で使用される金属及びその合金は。

Ｆｅ、Ｃｕ、ＮＬ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｎ、Ｍ
ｎ、Ｓ　ｉ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｗ及びこれらの金属のうち２
種以上の金属の合金である。複合材料の使用目的によっ
てこれらの金属及びその合金れる。

本発明の繊維強化低、＠膨張性複合材料を製造するに際
しては、後述のように１通常、これらの金属や合金の粉
末と鉱物粉末との混合粉末が繊維強　□化の母材となり
、この母材にｍｉｘを複合させたものを成形、焼結する
のであるが、この複合材料を製造するに際して、用いる
金属、合金の粉末の平均粒径は５０ｐｍ以下とりわけ２
０ルｍ以下であることが好ましい０粒径が５０７ｚｍ以
上の粒子を多量に含有した金属、合金粉末を使用すると
、高密度の複合材料が得られ難い、なお粒径５ｐｍ以下
の金属、合金粉末を多く含有すると金属、合金粉末が酸
化され易く、取り扱いが困難となるため好ましくない。

また本発明で使用できるＬｉ２０−Ａ文２０３−５ｉ０
２系鉱物粉末としては、モル比で、Ｌｉ２Ｏ：Ａ１２０
ｘ＋ＳｉＯ＝ｌ＋ｌ：２〜ＩＯのものが使用でき、具体
的には、例えばＬ　ｉ　２０　　Ａｉａ　０３−２Ｓ　
ｉＯ＞　　Ｃβ−ユ−りリプタイト）、Ｌ＋２０Ａ文２
０３−４Ｓ　ｉ　Ｏ２（β−スボジェメン）、ＬｉａＯ
−ＡｆＬ２０３−８ＳｉＯ２（ペタライト）、等が挙げ
られる。なお複合材料の目標特性に対応して、任意の種
類のＬｉ２０−Ａｌ２０３　　Ｓ　ｉ　Ｏ２系鉱物粉末
を選ぶことができる。

複合材料を製造するに際してはこの鉱物粉末としては５
００ｐｍ以下の粒度のものが好ましく、とりわけ平均粒
径が１０〜２００　ＪＬｍであることが好ましい０粒径
が５００ｐｍを超える粒子を多量に含有すると、焼結性
に悪影響を及ぼす、また平均粒径がＩＯｐｍ未満である
と金属の平均粒径が５＃Ｌｍ未満となり好ましくない、
（これは後に述べるように、本発明のｍ雄強化低熱膨張
性複合材料を製造するに際して、鉱物粉末の粒径を金属
、合金粉末の粒径の２倍以上とするのが好ましいからで
ある。） 本発明においては、前記金属ないしは合金、Ｌ　ｉ　２
０　　Ａｌ２Ｏ２−５ｉ　０２系鉱物を含有するマトリ
ックス組成物に各種ｍ！Ｉｋを添加して強化する。

本発明において、用いられる強化用繊維はガラス繊維、
セラミックｔａ維、金属繊維、金属−セラミック複合繊
維及びウィスカーからなる群から選ばれる１種又は２種
以上である。

ガラス繊維としては、ガラス’５ｍ１ｔ、ガラス長繊維
のいずれも用い得る。

またセラミック繊維としては、ロックウール、ムライト
質Ｉａ維、シリカ繊維、アルミナ繊維、Ｓ　ｉ　Ｃ繊維
、ＢＮ繊維、炭素繊維、ジルコニア（ＺｒＯ２）ａｌｌ
　　雄　、　　　）　　　リ　　７　　　（ＴｈＯ２）
　　　ｍ　！Ｉ！。

イツトリア（ｒ２ｏ３）ｍｆＡ等が用いられる。この他
にも、上述のガラス繊維及び後述のウィスカーのいずれ
にも属さない、各種のＳ機ＩＲｍ雄を用い得る。

金属繊維としては、ステンレスａｍ、　　スチールｍ雄
、モリブデン（Ｍｏ）ｍＭ、タングステン（Ｗ）繊維等
が用いられる。

金属−セラミック複合繊維としては、ホウ素−タングス
テ７　（Ｂ−Ｗ）　ｍｍ、５ｉＣ−Ｗ緻Ｍ等が用いられ
る。

ウィスカーとしては、ＳｉＣウィスカー、５ｉｚＮ＋ウ
イスカー、アルミナ質ウィスカー等を用いることができ
る。

これらの繊維は複合材料の目標特性に対応して、１種又
は２種以上を選択して用いることができる。

これらのａｌｌの形状は、短ｍ＃１、長繊維共に、その
径が１００４ｍ以下、特に２０ｐｍ以下のものが好まし
い、　ｔｉｌｌｍの径が１１００ｐを超えると、金属−
鉱物粉末組成物との界面接着性に問題が生じ゛、複合材
料の強度劣化の原因となる。また、短繊維に関しては、
アスペクト比（ａｍの直径と長さの比）が２０〜１００
が好ましい、短繊維のアスペクト比が１００を超えるも
のを用いると混合時に繊維同志の絡みが生じ均一分散が
困難となる。また２０未満のものを使用すると、得られ
る複合材料に繊維補強の効果が現れない。

一般に２種以上の異なる素材からなる複合材料において
は、素材間の熱膨張差に伴う相互の結晶粒間の歪と弾性
率との積である界面の熱応力、並びに、製造プロセスに
て発生する残留応力などの原因により、構成素材相互の
熱膨張差相殺が定常的でなくなる。

即ち、２種以上の素材を複合してなる複合体において複
合則が成り立つ場合には、その特性、例えば熱膨張特性
は、前記（１）式からり出される値とほぼ一致する。と
ころが、上述の如き熱応力や残留応力が作用する場合に
は、複合体の熱膨張特性は各素材の熱膨張率の体積分率
には必ずしも比例しなくなり、前記複合則からのＪａｉ
が生じ得る。

本発明の複合材料においても、熱応力や残留応力が作用
する場合には、マトリックスとなる金属又は合金に対す
るＬｉ　２０−Ａｌ２Ｏ２−３ｉＯ２系鉱物粉末の熱膨
張率低減効果が現われにくいという傾向が生じ得る。

ところが木発明者らが鋭意研究を重ねた結果、金属又は
合金とＬ　ｉ　２０−Ａｌ２０３−Ｓ　ｉｏ２系の鉱物
粉末の粒径を制御することによって、ｆ！％膨張効果に
対する熱応力及び残留応力の影響奢克服することができ
ることが見い出されたのである。

即ち金属又は合金の粉末の粒径に対して鉱物粉末の粒径
を大きくする程、鉱物粉末の金属又は合金への熱膨張率
低減効果が大きくなり、この効果は鉱物粉末の粒径を金
属又は合金のａ径の好ましくは２倍以上にすることによ
り顕著になるのである。（２倍未満であると上記のよう
に金属複合材料の界面の熱応力及び残留応力の影響によ
って熱膨張率低減効果が少ない、） また、風物粉末の粒径が金属又は合金の粉末の粒径の１
０倍を超えるとＬｉ２０−Ａ１２０３−Ｓｉ０２系鉱物
粉末の粒径が過度に大きくなり、高密度の金属複合材料
が得られ難いことも見い出された。

このようなことから、本発明の繊維強化低熱膨張性複合
材料を製造するに際しては、金属及び／又は合金、Ｌ　
ｉ　２０−Ａｌ２０ｙ　　Ｓ　ｉ　０２系鉱物粉末、並
びに繊維を配合するに際し、金属、合金の平均粒径に対
し該鉱物粉末の平均粒径を２倍以上とし、且つ１０倍以
下にすることが好丈しい。

本発１１の複合材料における配合比は、金属及び／又は
その合金４０〜９０重量％並びにＬｆ２０−Ａ１２０３
−５　ｉ　Ｏ２系ｔＫ物粉末１０〜６０１量％を含有す
るマトリックス組成物７０〜９９体積％、ガラス繊維、
セラミックｍｅｎ、金属繊維、全屈−セラミック複合繊
維及びウィスカーの各種繊！Ａ１〜３０体積％である。

マトリックス組成物において、金属及び／又はその合金
が４０％未満であると、Ｌｉ０２−Ａ見２０　ｓ　−Ｓ
　ｉ　Ｏ２系鉱物粉末の増加に伴し−１、鉱物粉末の影
響が大きくなり、複合材料の金属的性質が極端に低減し
１強度が低下すると共に、加工性が悪化する。

また金属及び／又は合金の含有量が９０ｉ景％を超える
場合には、該鉱物粉末を複合することによる熱ｌ＆１張
率低率低減効果ど現れない、また複合材料中の繊維の含
有量が１体積％未満であると補強効果が現れず、繊維含
有量１体積％以上で、繊維含イＪ量に比例して複合材料
の強度が向上するが、ａｍ含有量が３０体積％で強度は
ほぼピークに達し、それ以上の強度向上は得られ難い。

本発明の繊維強化低熱膨張性複合材料の一般的な製造法
としては、繊維として短ｔａ維を使用する場合には、予
めロールミル又はボールミルにて均一混合させた配合物
を、金型を用いた加圧成形性等公知の手法で成形する。

また、ｍ雄として長繊維を使用する場合には、配向させ
た長繊維に、金属及び／又はその合金と鉱物粉末との混
合スラリーをスリッズキャストして成形する。その後、
得られた成形体を、６００〜１３００℃の真空中又は非
酸化雰囲気中で加熱して焼結させる。この際、ホットプ
レス、熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ法）等を採用すれば、
高密度で更に高強度の複合材料を容易に得ることができ
る。

［作用］ 金属及び／又はその合金に、膨張率の低いＬｉａＯ−Ａ
見２０３−Ｓｉ０２系鉱物粉末を複合せしめることによ
って、金属の有する熱膨張率を低下させるようにするこ
とができる。

更に、ガラス！ａ＃ｔ、セラミック繊維、金属繊維、金
属−セラミック複合ａｍ、ウィスカーにより強化するこ
とにより、高強度、高弾性を付与することができる。

［実施例］ 以下に本発明を実施例及び比較例により更に具体的に説
明するが１本発明はその要旨を超えない限り、以下の実
施例に限定されるものではない。

実施例Ｉ Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ１Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａ９．、
Ｍｎ、Ｓ　ｉ、Ｚｎ、Ｂｅの金属及びその合金粉末（平
均粒径５ｇ’ｍ）の１種又は２種以上を４０〜６０１ｉ
％、Ｌ　＋　２０　　Ａ　ｌ　２０　ａ　−５ｉ０２系
鉱物粉末（平均粒径１５川ｍ）を４０〜６０ｇ！、量％
の範囲でそれぞれ含んでなるマトリックス組成物を７０
〜９０体積％、 ガラス繊維、セラミックｆｉａ雄、金属ｍ雑、金属−セ
ラミック複合繊維及びウィスカーからなる群から選ばれ
る１種又は２種以上をｌθ〜３０体積％、 の範囲内で第１表に示す如く配合し、溶媒としてインプ
ロピルアルコール、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛（添
加［０，５ｉ景％）を添加して、ボールミルで５時間均
一に混合した。

得られた混合粉末を成形圧２０００Ｋ　ｇ／　ｃｒｎ’
にて各々成形し、その成形体を熱間静水圧加圧装置（以
下、ｒＨＩＰ装置」と称する。）にて第１表に示す処理
条件で処理した。

得られた試料（Ｎｏ、１〜１５）の特性を第１表に示す
。

実施例２ 第２表に示すマトリックス組成物に、アルギン酸ソーダ
０．５重量％、アクリル酸ポリマー１兎量％を添加し、
泥漿ｐＨ約４．５〜５、泥漿比工約１．６になるように
した泥漿を調製した。

一方、型の内部に、第２表に示す長繊維を■−丈方向（
すに延在するようにして（Ｎｏ、１７〜１９）、又は、
■−力方向これと直交する方向に配向して（Ｎｏ、１６
．２０）それぞれ装入しておく、この型の内部に上記泥
漿をスリップ法により充填し、繊維の間隙に溶浸させ、
次いで加圧して成形体とした。配合割合は第２表の通り
である。得られた成形体を乾燥後、ＨＩＰ装置にて第２
表に示す処理条件にて処理した。

得られた試料（Ｎｏ、１６〜２０）の特性を第２表に示
す、なお、引張強度は繊維を配向した方向に力を加える
ことにより測定した。

比較例１ マトリックス組成物の金属又は合金粉末と鉱物粉末の配
合割合、及びマトリックス組成物とｍ＃ｎとの配合割合
を第２表に示す如く変えたこと以外は実施例１と同様に
して成形体を得、この成形体をＨＩ　Ｐ装置にて第２表
に示す処理条件にて処理した。

得られた試料（Ｎｏ、２１〜２５）の特性を第２表に示
す。

第１表及び第２表より、本発明の繊維強化低熱膨張性複
合材料は高強度、高弾性であることが認められる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によればａ膨張率が金属及
びその合金の熱膨張率付近から零に近い範囲の任意の熱
膨張率であって、しかも高強度、高弾性の複合材料が提
供される。このＩａ維強化低熱膨張性複合材料及びそれ
を含む材料は、アンバー合金よりも低熱膨張且つ軽量で
あり、また安価に製造できる。

そのため、各種の機器装置特に測定機器や精密機器の部
品であって、ある程度以上の強度、弾性率が必要で軽量
且つ低熱膨張性を必要とする箇所への装着部品に最適で
ある。また他金属との締付けも良好である。

形状が複雑で、かつ高い寸法精度が要求される部材に、
本発明の複合材料を適用するには、次の■及び■の工程
によれば良い、即ち■目的とする部材よりも寸法゛の大
きい素材を１本発明の複合材料で製造する。■次にこの
素材を切削する。

本発明の複合材料の出発原料は粉末及び繊維であるから
、上記素材としてもかなり複雑な形状のものも成形し得
る。

金型成形した場合の露出面は金属であるため光沢面が得
られる。また外表面にメッキ、コーチングを施すことも
可能である。

このように本発明のＩａｒａ強化低熱膨張性複合材料は
、軽量、安価且つ高強度、高弾性で加工性が極めて良好
なため、測定及び精密機器用部品等として好適であり、
その利用価値は大なるものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａ
   ｌ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｗの金属及びこれらの金
   属のうち２種以上の金属の合金からなる群から選ばれる
   １種又は２種以上４０〜９０重量％並びにＬｉ＿２Ｏ−
   Ａｌ＿２Ｏ＿３−ＳｉＯ＿２系鉱物粉末１０〜６０重量
   ％を含んでなるマトリックス組成物７０〜９９体積％と
   、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、金属−セラ
   ミック複合繊維及びセラミック単結晶繊維からなる群か
   ら選ばれる１種又は２種以上の繊維１〜３０体積％と、 を含んでなることを特徴とする繊維強化低熱膨張性複合
   材料。