TW201736621A - 包括無機粒子及不連續纖維之金屬基質複合物及其製作方法 - Google Patents

包括無機粒子及不連續纖維之金屬基質複合物及其製作方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一金屬基質複合物，其包括一金屬、無機粒子、及不連續纖維。該等無機粒子及該等不連續纖維係分散在該金屬中。該金屬包括鋁、鎂、或其合金。該等無機粒子具有比該金屬之一密度小至少30%之一包封密度。該金屬基質複合物具有比該基質金屬更低的包封密度，同時保有相當數量的該金屬之機械性質。

Description

包括無機粒子及不連續纖維之金屬基質複合物及其製作方法
本揭露係有關金屬基質複合物，其包括金屬基底與其他材料(如填料材料)之混合物。
金屬基質複合物因為其高強度、高剛性結合輕量化的組合而長期以來被認為是有前景的材料。金屬基質複合物一般包括以纖維或其他填料材料強化的一金屬基質。
本揭露提供輕量化的金屬基質複合物。對於具有包封密度比基質金屬低而同時保持一定程度物理性質的金屬基質複合物的需求持續存在。
在一態樣中，本揭露提供一種金屬基質複合物。該金屬基質複合物包括一金屬、無機粒子、及不連續纖維。該等無機粒子及該等不連續纖維係分散在該金屬中。該金屬包括鋁、鎂、或其合金。該等無機粒子具有比該金屬之一密度小至少30%之一包封密度。
在另一態樣中，本揭露提供複數個玻璃泡。該等玻璃泡包含的玻璃耐受加熱到攝氏700度的溫度達至少兩小時而不軟化，並且在攝氏1371度展現6或更小的澆鑄指數(pouring index)。
本揭露之例示性實施例中獲得各種非預期的結果及優點。本揭露之至少一例示性實施例的優點為含有無機粒子及不連續纖維分散在金屬中的金屬基質複合物展現比該金屬低的包封密度及可接受的降伏強度(例如，在一拉應力-應變曲線中的塑性降伏)。
本揭露之上述概述並非意欲說明本揭露之各個所揭示實施例或是各實施方案。以下的描述更具體地例示說明性實施例。在本申請案全文的數個地方透過實例清單來提供指引，該等實例可以各種組合之方式使用。在各種情況下，所引述的清單僅作為代表性群組，且不應將其詮釋為排他性的清單。
10‧‧‧金屬
12‧‧‧無機粒子
14‧‧‧不連續纖維
100‧‧‧金屬基質複合物
配合附圖，思考如下所述本揭露各個實施例之實施方式，可更完整地理解本揭露，其中：圖1為根據本揭露之一例示性實施例之一金屬基質複合物的示意剖面圖。
圖2為例示性基質及比較基質之應力-應變曲線的圖。
圖3為另外的例示性基質及比較基質之應力-應變曲線的圖。
圖4為進一步例示性基質及比較基質之應力-應變曲線的圖。
圖5為另一個例示性基質之應力-應變曲線的圖。
圖6為更進一步的例示性基質之應力-應變曲線的圖。
圖7為又另一個例示性基質之應力-應變曲線的圖。
雖然以上所識別之圖式(可能未按比例繪製)闡述本揭露之實施例，但其他實施例(如在〔實施方式〕中所提到者)亦被考慮。
對於下文所定義用語的詞彙，這些定義應適用於整份申請書，除非在申請專利範圍或說明書中的別處提供不同定義。
詞彙
說明書及申請專利範圍中使用某些用語，雖然這些用語大多數已為人所熟知，但可能需要一些解釋。應了解的是，如本文中所使用者：如本說明書及隨附實施例中所用者，單數形式「一(a/an)」及「該(the)」包括複數的指涉，除非內容另有清楚指定。如本說明書及所附實施例中所使用者，用語「或(or)」通常是用來包括「及/或(and/or)」的意思，除非內文明確地另有指示。
如本說明書中所使用，以端點敘述之數字範圍包括所有歸於該範圍內的數字(例如，1至5包含1、1.5、2、2.75、3、3.8、4及5)。
除非另有所指，否則本說明書及實施例中所有表達量或成分的所有數字、屬性之測量及等等，在所有情形中都應予以理解成以用語「約(about)」進行修飾。因此，除非另有相反指示，在前述說 明書及隨附實施例清單所提出的數值參數，可依據所屬技術領域中具有通常知識者運用本揭露的教示而欲獲得之理想特性而有所變化。起碼，至少應鑑於有效位數的個數，並且藉由套用普通捨入技術，詮釋各數值參數，但意圖不在於限制所主張實施例範疇均等論之應用。
在本說明書及申請專利範圍中之用語「包含、組成(comprises)」及其變化形並不具限制意思。
在本揭露之實施例中之用語「較佳(preferred)」和「較佳地(preferably)」表示在某些情況下可能可以提供某些效益。然而，其他實施例在相同或其他情況下亦可為較佳的。此外，對於一個或多個較佳實施例之引述並不意味其他實施例非係有用的，也沒有意圖將其他實施例從本揭露之範疇中排除。
本說明書全文提及的「一個實施例(one embodiment)」、「某些實施例(certain embodiments)」、「一或多個實施例(one or more embodiments)」、或「一實施例(an embodiment)」，不論在用語「實施例(embodiment)」之前是否包括有用語「例示性(exemplary)」，皆意指與該實施例連結之所述特定特徵、結構、材料、或特性都包括在本揭露某些例示性實施例的至少一個實施例中。因此，在本說明書全文中各處出現的用語，諸如「在一或多個實施例中(in one or more embodiments)」、「在某些實施例中(in certain embodiments)」、「在一個實施例中(in one embodiment)」、「在許多實施例中(in many embodiments)」或「在一實施例中(in an embodiment)」，並不必然參照本揭露某些例示性實施例的相同實施 例。更進一步，該等特定特徵、結構、材料、或特性可在一或多個實施例中用任何合適的方式結合。
有關金屬基質中一或多個填料的用語「分散(dispersed)」是指該一或多個填料分布遍及該金屬基質，比如提供一包括該金屬及該(等)填料而實質上均質的金屬基質複合物。這是對比於一金屬基質複合物的區域有一或多個填料的濃度比在該金屬基質複合物不同位置的區域高出至少兩倍(例如，在該金屬基質複合物中數層的或數團的一填料)。雖然有可能觀察到該一或更多填料未確切均質分布在金屬基質中之一金屬基質複合物的足夠小體積，該(等)填料仍是分散在該金屬中。
用語「燒結(sinter)」是指藉由加熱粉狀材料但不完全液化以使其聚合成固體或多孔塊體。亦可選地在燒結期間擠壓該粉狀材料。
有關粒子的用語「包封密度(envelope density)」是指質量除以包封體積。該「包封體積(envelope volume)」是指各粒子中固體及該粒子中任何空隙的體積總和。類似地，有關金屬基質複合物的用語「包封密度」是指質量除以包封體積，其中該「包封體積」是指該金屬基質複合物中固體及該金屬基質複合物中任何空隙的體積總和。
有關多孔粒子的用語「骨架密度(skeleton density)」是指質量除以骨架體積。該「骨架體積(skeleton volume)」是指固體材料及粒子內任何封閉孔的體積總和。
用語「軟化點(softening point)」是指材料(例如，處於固相)開始因為自己的重量而開始塌陷的溫度或溫度範圍。對於具有明確熔點(例如，金屬)的材料，軟化點大致上可視為金屬或金屬合金的熔點。然而，對於沒有明確熔點的材料，軟化點可以是材料的彈性行為變成塑性流的溫度。例如，玻璃、玻璃-陶瓷、或瓷的軟化點會出現在材料的玻璃-轉移溫度，而且可由黏度107.65泊所定義。一般例如以Vicat法(例如，ASTM-D1525或ISO 306)或以熱變形測試(例如，ASTM-D648)來測定玻璃的軟化點。
用語「應變(strain)」是指拉應變。用語「拉應變(tensile strain)」是指材料受張力拉伸、彎曲、或牽引的形變。
用語「塑性降伏(plastic yield)」是指材料發生預定量的永久形變時的應力。
用語「拉塑性降伏(tensile plastic yield)」是指材料經受到拉力時，該材料發生預定量的永久形變時的應力。
用語「降伏強度」是指認為材料已經開始塑性延伸時的應力。在本文中使用時，係以0.2%的偏移判定降伏強度。ASTM B557M-15揭示「7.6降伏強度-用偏移法以0.2%的偏移判定降伏強度。接受或拒收材料可基於負載延伸法(Extension-Under-Load Method)決定。對於仲裁試驗，應使用該偏移法(offset method)。7.6.1偏移法-藉由「偏移法」判定降伏強度，需要確保可繪製應力-應變圖的資料(自動圖繪或以數值表示)。然後在應力-應變圖(圖16)標出等於偏移指定值的Om，平行OA繪製mn，因而找出r，其為mn和應 力-應變圖的交點(註12)。記述以此方法得到的降伏強度時，應於用語降伏強度後在括號內記載「偏移」之特定值。如此：降伏強度(偏移=0.2%)=360MPa」。
用語「過渡型氧化鋁(transitional-alumina)」是指從鋁氫氧化物到α-氧化鋁的任意氧化鋁。特定的過渡型氧化鋁粒子包括δ-氧化鋁、η-氧化鋁、θ-氧化鋁、χ-氧化鋁、κ-氧化鋁、ρ-氧化鋁、及γ-氧化鋁。過渡型氧化鋁粒子係在鋁氫氧化物或鋁氧基氫氧化物的熱處理期間產生。熱力學上最穩定的形式一般是α-氧化鋁。
現將說明本揭露的各種例示性實施例。本揭示之例示性實施例可有各種修改及改變，而不悖離本揭示之精神及範疇。因此，應理解本揭示之該等實施例不受限於以下該等說明之例示性實施例，而是由該等申請專利範圍及任何其均等者所提限制所管制。
在一態樣中，本揭露提供一種金屬基質複合物。該金屬基質複合物包括一金屬、複數個無機粒子、及複數個不連續纖維。該等無機粒子及該等不連續纖維係分散在該金屬中。該等無機粒子具有比該金屬之一密度小至少30%、至少40%、或比該金屬之一密度小至少50%之一包封密度。該金屬包含鋁、鎂、或其合金。
參照圖1，其提供一金屬基質複合物100的示意性剖面圖。金屬基質複合物100包括一金屬10、複數個無機粒子12、及複數個不連續纖維14。無機粒子12及不連續纖維14係分散在金屬10中。為簡單起見，該金屬基質複合物係繪示成具有單塊形狀；然而，可取決於所需應用而以一些不同的形狀形成該金屬基質複合物。金屬 基質複合物可應用於若干產業中，諸如建築、汽車、及電子業，可以金屬基質複合物組件取代其中特定金屬組件。
在一些實施例中，該金屬包含一多孔基質結構。多孔基質結構常由粉狀金屬獲得，其中該粉末含有一金屬結構，其中氣體(例如，空氣)係合併到該固體金屬結構中。於替代實施例中，該金屬包含一非多孔基質結構。非多孔基質結構常由熔融金屬獲得。
一般而言，該金屬存在數量為該金屬基質複合物的50重量百分比或更多、55重量百分比或更多、60重量百分比或更多、65重量百分比或更多、70重量百分比或更多、或75重量百分比或更多；以及數量為95重量百分比或更少、90重量百分比或更少、85重量百分比或更少、或80重量百分比或更少。以另一種方式記載，該金屬存在數量可係介於該金屬基質複合物的50重量百分比及95重量百分比(含)之間，或介於該金屬基質複合物的70重量百分比及95重量百分比(含)之間。該金屬包含鋁、鎂、或其合金(即一鋁合金或一鎂合金)。適當金屬包括例如而沒有限制純鋁(純度至少99.0%的鋁粉末，例如，AA1100、AA1050、AA1070等，諸如可購自Eckart(Louisville,KY)的純鋁粉末)；或含鋁及以質量計0.2至2%的另一金屬的一鋁合金。如此類合金包括：Al-Cu合金(AA2017等)、Al-Mg合金(AA5052等)、Al-Mg-Si合金(AA6061等)、Al-Zn-Mg合金(AA7075等)及Al-Mn合金，可以單獨一個也可以是二或更多個的混合物。各種合適的金屬粉末可購自Atlantic Equipment Engineers(Upper Saddle River,NJ)。
一般而言，金屬以粉末形式使用時，該金屬粉末包含300奈米(nm)或更大的一平均粒徑、400nm或更大、500nm或更大、750nm或更大、1微米(μm)或更大、2μm或更大、5μm或更大、7μm或更大、10μm或更大、20μm或更大、35μm或更大、50μm或更大、或75μm或更大；以及100μm或更小、75μm或更小、50μm或更小、35μm或更小、或25μm或更小。以另一種方式記載，該金屬粉末包含範圍在300nm及100μm(含)之間的一平均粒徑；範圍在1μm及100μm(含)之間；或範圍在1μm及50μm(含)之間。例如，可使用光學顯微鏡及雷射繞射分析粒徑。
合適無機粒子包括的粒子具有每立方公分2.00克或更少的一最大包封密度、每立方公分1.75克或更少、每立方公分1.50克或更少、每立方公分1.25克或更少、或每立方公分1.00克或更少。一般而言，該複數個無機粒子包含一實質上球形形狀或一針狀形狀，而在一些實施例中該等無機粒子包含多單元泡(multicelled bubble)。該等粒子通常有2：1或更小的最長軸對最短軸的縱橫比。
一般而言，該複數個無機粒子包含50奈米(nm)或更大的一平均粒徑、250nm或更大、500nm或更大、750nm或更大、1微米(μm)或更大、2μm或更大、5μm或更大、7μm或更大、10μm或更大、20μm或更大、35μm或更大、50μm或更大、75μm或更大、或100μm或更大；以及5毫米(mm)或更小、3mm或更小、2mm或更小、1mm或更小、750μm或更小、500μm或更小、或250μm或更小。以另一種方式記載，該複數個無機粒子包含範圍在50nm 及5mm(含)之間的一平均粒徑；範圍在1μm及1mm(含)之間；或範圍在10μm及500μm(含)之間。
分散在該金屬中的無機粒子數量沒有特定限制。該複數個無機粒子存在數量通常為該金屬基質複合物的至少1重量百分比、至少2重量百分比、至少5重量百分比、至少8重量百分比、至少10重量百分比、至少15重量百分比、或該金屬基質複合物的至少20重量百分比；及至多50重量百分比、至多28重量百分比、至多26重量百分比、至多24重量百分比、或該金屬基質複合物的至多22重量百分比。在某些實施例中，該等無機粒子存在該金屬基質複合物之數量為該金屬基質複合物的1重量百分比及30重量百分比之間、或2重量百分比及25重量百分比之間、或2重量百分比及15重量百分比(含)之間。包括小於1重量百分比的該等無機粒子造成該金屬基質複合物包封密度極微小的下降，然而包括多於30重量百分比的該等無機粒子會因為該金屬基質複合物含有金屬及纖維的量不足而對該金屬基質複合物的機械性質造成負面的衝擊。
在某些實施例中該複數個無機粒子包含多孔粒子。在本文中使用時，「多孔粒子(porous particles)」是指本身具有細孔的粒子，也指在至少一些非多孔初級粒子之間包括孔的非多孔初級粒子黏聚物。有用的多孔粒子的實例包括例如且沒有限制於多孔金屬氧化物粒子、多孔金屬氫氧化物粒子、多孔金屬碳酸鹽、多孔碳粒子、多孔矽石粒子、多孔脫水鋁矽酸鹽粒子、多孔脫水金屬水合物粒子、沸石粒子、多孔玻璃粒子、膨脹珍珠岩粒子、膨脹蛭石粒子、多孔矽酸鈉 粒子、工程多孔陶瓷粒子、非多孔初級粒子之黏聚物、或其組合。在某些實施例中，該金屬氧化物、金屬氫氧化物、或金屬碳酸鹽的該金屬係選自鋁、鎂、鋯、鈣、或其組合。在選用實施例中，該等多孔粒子包含多孔氧化鋁粒子、多孔碳粒子、多孔矽石粒子、多孔鋁氫氧化物粒子、或其組合。該等多孔粒子一般而言已經從其移除相關的水，常是透過加熱該等多孔粒子。該等多孔粒子可選地包含過渡型氧化鋁粒子。合適的多孔粒子包括例如而沒有限制可購自UOP LLC(Des Plaines,IL)的Versal 250水鋁石粉末、Zibo Yinghe Chemical Company,Ltd.(Shandong,China)的YH-D 16水鋁石粉末、以及PIDC International(Ann Arbor,MI)的Alumax PB300水鋁石。
在某些實施例中，該複數個無機粒子包含陶瓷泡或玻璃泡。陶瓷泡及玻璃泡的合適材料包括例如而沒有限制氧化鋁、鋁矽酸鹽、矽石、或其組合。可購得的玻璃泡包括例如可得自Cenostar Corporation(Amesbury,MA)的LightStar、EconoStar、以及High Alumina微珠(cenosphere)。較佳的是該等陶瓷泡及玻璃泡係未塗佈(例如，以一金屬材料，用來幫助以該金屬基質潤濕該等泡)。
在一些實施例中，有利的是，該複數個玻璃泡包含的玻璃耐受加熱到攝氏700度的溫度達至少兩小時而不軟化。更具體地，在某些實施例中，該等玻璃泡包含的玻璃具有範圍從攝氏700度到攝氏785度(含)的一玻璃軟化溫度，或者從攝氏715度到攝氏735度。
使用耐高溫玻璃泡讓該等玻璃泡允許其等合併於金屬基質複合物中，否則其等會以提升到足以損壞該等玻璃泡的溫度來製備，諸如軟化至少一些該等玻璃泡到它們變形及/或破裂的程度。
另一種適當類型的玻璃泡包括和去離子水攪拌2小時而每克玻璃泡在去離子水中溶出鈉離子小於100微克的玻璃泡。具如此低的鈉溶出速率的玻璃泡的一個優點是其等在電子業應用上很有用，於此鈉離子溶出時常是不可接受的。在一實施例中，用於製備此類低鈉玻璃泡的適當化合物包括矽石、石灰、硼酸、磷酸鈣、煅氧化鋁矽酸鹽、以及鎂矽酸鹽。在某些實施例中，如熱膨脹測量法所測得，此類低鈉玻璃泡展現一軟化點在717℃及735℃(含)之間。
在玻璃泡技術領域中眾所皆知藉由調整玻璃泡組成物組分的相對比例可以變化玻璃泡的性質。例如，在密度、強度、軟化溫度及澆鑄指數有差異的各種玻璃泡可用一低鈉玻璃泡組成物來製備，該低鈉玻璃泡組成物包括矽石、石灰、硼酸、磷酸鈣、煅氧化鋁矽酸鹽、及鎂矽酸鹽。澆鑄指數是一種經驗指數，範圍從1到10，其基於玻璃被加熱到華氏2500度(攝氏1371度)的溫度時評斷熔融玻璃有多容易澆鑄。澆鑄指數指示玻璃在熔化溫度的黏度。澆鑄指數10表指玻璃黏度夠低而可輕易澆鑄。澆鑄指數1表示玻璃黏度非常高使得玻璃不會流出(例如，玻璃在嘗試澆鑄的期間幾乎不會移動)。雖然不希望受理論束縛，據信澆鑄指數及玻璃泡組成軟化溫度互相關聯。也就是說，隨著玻璃組成物的澆鑄指數下降，該玻璃泡組成物的軟化溫度上升。換言之，具有相似的澆鑄指數的玻璃泡組成物據信會具有相似 的軟化溫度。一般而言，適當的玻璃泡組成物具有6或更低的澆鑄指數，較佳的是5或更低、4或更低、3或更低、或者2或更低。在某些實施例中，適當的玻璃泡具有澆鑄指數1。
在一些實施例中，該複數個玻璃泡可選地包含介於每立方公分0.50及2.30克(含)之間的一平均包封密度，諸如介於每立方公分0.50及1.50克之間或介於每立方公分0.50及0.90克之間。
在某些實施例中，適當玻璃泡可具有一組成物包括矽石、石灰、硼酸、磷酸鈣、煅氧化鋁矽酸鹽、鎂矽酸鹽及至多約1wt.%的Na2O，同時展現6或更低的一澆鑄指數。在一些實施例中，該等玻璃泡包含範圍從2.5到7.5(含)的一矽石對氧化鋁重量比，或從5.0到7.5(含)。
下表1提供例示性低鈉玻璃泡組成物及自其製備之玻璃泡之性質(亦即，密度、強度、軟化溫度及澆鑄指數)。
有利的是，適當的高溫泡也具有高強度。可根據(已撤銷)ASTM 3102-72測量強度，其中此方法使用甘油代替水。在一些實施例中，80體積%的該等玻璃泡耐受4000psi(27.6MPa)的等靜壓而不破裂、耐受6000psi(41.4MPa)的等靜壓而不破裂、或耐受8000psi(55.2MPa)的等靜壓而不破裂。合適的高溫玻璃泡並不限制於上面說明的例示性組成物。例如，使用所屬領域中用以形成玻璃泡的一般方法，從一玻璃組成物(其包括SiO2(60.05wt.%)、CaO(3.77wt.%)、B2O3(6.65wt.%)、Al2O3(17.77wt.%)、MgO(3.18wt.%)、SrO(7.84wt.%)以及SO3(0.74wt.%))來製備具有軟化溫度781℃、密度1.0385克/cm3、以及強度8129psi(56MPa)的低鈉、耐高溫玻璃泡。
分散在該金屬基質複合物的該複數個不連續纖維沒有特定限制，而例如包括無機纖維，諸如玻璃、氧化鋁、鋁矽酸鹽、碳、玄武岩、或其一組合。更具體地，在某些實施例中該等纖維包含至少 一金屬氧化物、氧化鋁、氧化鋁-矽石、或其一組合。該等不連續纖維具有小於5厘米的一平均長度，和較長纖維相比更傾向有益於在金屬基質中分散。在許多實施例中，該等纖維具有比用以形成一金屬基質複合物之模具或模的最小尺寸更短的一平均長度，使得於該等纖維之定向不受限於該模具或模。該纖維長度對該模具或模之該最小尺寸的一比例時常是<1：1。在某些實施例中，該等不連續纖維具有小於4公分、小於3公分、或小於2公分之一平均長度。不連續纖維可從連續纖維形成，例如藉用所屬領域已知的方法，諸如裁剪及研磨。一般而言，該複數個不連續纖維包含10：1或更大的一縱橫比。
合適的不連續纖維可具有各種組成物，諸如陶瓷纖維。該等陶瓷纖維可生產成連續的長度，其經裁剪或剪切，如本文所討論，以提供本揭露的該等陶瓷纖維。可從各種可購得之陶瓷絲生產該等陶瓷纖維。有用於形成該等陶瓷纖維有用的絲的實例包括以商標NEXTEL(3M Company,St.Paul,MN)銷售的該等陶瓷氧化物纖維。NEXTEL是一種連續絲陶瓷氧化物纖維，其在操作溫度具有低延伸及收縮，並且提供良好的化學抗性、低導熱性、耐熱衝擊性、及低孔隙度。NEXTEL纖維的特定實例包括NEXTEL 312、NEXTEL 440、NEXTEL 550、NEXTEL 610以及NEXTEL 720。NEXTEL 312及NEXTEL 440係包括Al2O3、SiO2以及B2O3的耐火鋁硼矽酸鹽。NEXTEL 550及NEXTEL 720係鋁矽酸鹽而NEXTEL 610係氧化鋁。製造期間，該等NEXTEL絲係塗佈有機塗料或精整物作用為紡織製程的輔助。塗料可包括使用施加到絲股以保護及有助於拿握的澱粉、 油、蠟或其他有機成分。藉由熱清潔(heat cleaning)該等絲或陶瓷纖維，如700℃的溫度一到四小時，該塗料可自該等陶瓷絲移除。
該等陶瓷纖維可經切削、研磨、或裁剪以便提供相對均勻的長度，其可在機械剪切操作或雷射切削操作、以及在其他切削操作之中，藉由切削陶瓷材料的連續的絲來達成。鑑於某些切削操作之高度受到控制之本質，該等陶瓷纖維之尺寸分布非常狹窄，而允許控制該複合物性質。
該陶瓷纖維的長度，例如，可用裝配有一CCD Camera(Olympus DP72,Tokyo,Japan)以及分析軟體(Olympus Stream Essentials,Tokyo,Japan)之一光學顯微鏡(Olympus MX61,Tokyo,Japan)來判定。可藉由將該陶瓷纖維的代表性取樣散布在玻璃玻片上並以10X放大率測量至少200個陶瓷纖維的長度來製備樣本。
合適的纖維包括例如以商標名NEXTEL(可購自3M Company,St.Paul,MN)銷售的陶瓷纖維，諸如NEXTEL 312、440、610以及720。目前較佳的一陶瓷纖維包含多晶體α-Al2O3。合適的氧化鋁纖維係描述於，例如美國專利第4,954,462號(Wood等人)以及美國專利第5,185,299號(Wood等人)中。例示性α氧化鋁纖維係以商標名稱NEXTEL 610(3M Company,St.Paul,MN)銷售。在一些實施例中，該等氧化鋁纖維係為多晶體α氧化物纖維，而且以理論氧化物基礎來看，基於該等氧化鋁纖維的總重量，該等氧化鋁纖維包含大於99重量百分比的Al2O3以及0.2至0.5重量百分比的SiO2。在其他實施例中，一些理想的多晶體α氧化鋁纖維包含之α氧 化鋁具有小於一微米的平均晶粒尺寸(或甚至在一些實施例中小於0.5微米)。在一些實施例中，多晶體α氧化鋁纖維具有至少1.6GPa的平均抗拉強度(在一些實施例中，至少2.1GPa，或甚至至少2.8GPa)。合適的鋁矽酸鹽纖維係描述於例如美國專利第4,047,965號(Karst等人)。例示性鋁矽酸鹽纖維係以商標名稱NEXTEL 440、及NEXTEL 720由3M Company(St.Paul,MN)銷售。鋁硼矽酸鹽纖維係描述於例如美國專利第3,795,524號(Sowman)。例示性鋁硼矽酸鹽纖維係以商標名稱NEXTEL 312由3M Company銷售。可如例如美國專利第3,429,722號(Economy)以及美國專利第5,780,154號(Okano等人)中所說明來製作硼氮化物纖維。
亦可自其他適當陶瓷氧化物絲形成陶瓷纖維。此類陶瓷氧化物絲的實例包括可購自Central Glass Fiber Co.,Ltd.的彼等陶瓷氧化物絲(例如，EFH75-01、EFH150-31)。鋁硼矽酸鹽玻璃纖維也是較佳的，其含有小於約2%的鹼或實質上不含鹼(亦即，「E-玻璃」纖維)。E-玻璃纖維可從許多供應商購得。
分散在該金屬基質複合物中的不連續纖維數量沒有特定限制。該複數個纖維存在數量通常為該金屬基質複合物的至少1重量百分比、至少2重量百分比、至少3重量百分比、至少5重量百分比、至少10重量百分比、至少15重量百分比、至少20重量百分比、或該金屬基質複合物的至少25重量百分比；及至多50重量百分比、至多45重量百分比、至多40重量百分比、或至多35重量百分比的該金屬基質複合物。在某些實施例中，該等纖維存在該金屬基質複合物 之數量為該金屬基質複合物的1重量百分比及50重量百分比之間、或2重量百分比及25重量百分比之間、或5重量百分比及15重量百分比(含)之間。包括小於1重量百分比的該等纖維造成該金屬基質複合物強度極微小的上升，然而包括多於50重量百分比的該等纖維會因為該金屬基質複合物含有金屬及無機粒子的量不足而對該金屬基質複合物的包封密度造成負面的衝擊。在某些實施例中，該複數個無機粒子及該複數個不連續纖維以該金屬基質複合物的5重量百分比及50重量百分比(含)之間的數量結合存在。
有利的是，該金屬基質複合物展現一減少的包封密度(和純金屬相比)以及也展現可接受的機械性質兩者。例如，該金屬基質複合物一般而言具有每立方公分1.35及2.70克(含)之間或每立方公分1.80及2.50克(含)之間的一包封密度。例如，該金屬基質複合物可具有每立方公分至少1.60克的一包封密度、每立方公分至少1.75、至少1.90、至少2.00、至少2.10、或至少2.25克；以及每立方公分至多2.70的一包封密度、至多2.60、至多2.50、至多2.40、或至多2.30克。
在某些實施例中，該金屬包含鋁或其合金且該金屬基質複合物具有介於每立方公分1.80及2.50克(含)之間的一包封密度；每立方公分2.00及2.30克(含)之間；或每立方公分1.80及2.20克(含)之間。
在某些實施例中，該金屬包含鎂或其合金且該金屬基質複合物具有介於每立方公分1.35及1.60克(含)之間的一包封密度； 每立方公分1.55及1.60克(含)之間；或每立方公分1.35及1.50克(含)之間。
有利的是，在許多實施例中該金屬基質複合物具有比該金屬之該密度小至少8%之一包封密度(或小至少10%、小至少12%、小至少15%、或小至少17%)並且在破裂前可耐受1%之應變。此性質組合既提供該金屬的輕量化且在該金屬基質複合物中維持一些該金屬特性兩者。尤其，該金屬基質複合物較佳的是於一拉伸試驗中在破壞前展現一降伏強度。在某些實施例中該金屬基質複合物具有50百萬帕斯卡或更大、75百萬帕斯卡或更大、100百萬帕斯卡或更大、或150百萬帕斯卡或更大的一降伏強度。
發現本揭露的至少某些例示性實施例的該金屬基質複合物展現一應力-應變曲線顯示塑性降伏行為，而本揭露的至少某些例示性實施例的該金屬基質複合物展現一應力-應變曲線顯示抗拉塑性降伏行為。也就是說，該應力-應變曲線展現一區域的塑性流。該塑性降伏曲線及抗拉塑性降伏曲線係與一純脆性破壞機制形成對比。也就是說，該純脆性行為在該應力-應變曲線內展現僅一彈性區域，而沒有(或很小)塑性流區域。令人驚訝的是，根據本揭露之至少一些實施例在金屬基質複合物中作為填料之無機粒子及不連續纖維二者之結合，於應力-應變實驗提供一塑性降伏曲線及/或一抗拉塑性降伏行為。
例如，參照圖3，含有纖維及多孔無機粒子二者(詳細說明如下)的實例13的應力-應變曲線在脆性破壞機制前出現降伏。 在某些實施例中，該金屬基質複合物破裂前可耐受0.5%、1%、1.5%、或甚至2%之應變。此外，出乎意料的，該金屬粉末與該等多孔無機粒子保持分離，而不是在燒結過程中被推進該等多孔無機粒子的一些細孔中(尤其是施加壓力下的燒結)。有趣的是，該等多孔無機粒子並沒有傾向於在燒結期間受損(例如，碎裂或壓碎)，而是維持其多孔骨架結構。
在許多實施例中，該金屬基質複合物展現25百萬帕斯卡(MPa)或更大的一極限抗拉強度，諸如40MPa或更大、50MPa或更大、75MPa或更大、100MPa或更大、150MPa或更大、200MPa或更大、250MPa或更大、或300MPa或更大。因為金屬基質複合物的抗拉強度與金屬基質複合物的包封密度有關，一般而言一複合物輕量化的期間會犧牲抗拉強度，考慮金屬基質複合物的抗拉強度則可為進一步有用。在一些實施例中，該金屬基質複合物具有介於每立方公分1.80及2.50克(含)之間的一包封密度，以及50MPa或更大、100MPa或更大、150MPa或更大、200MPa或更大、250MPa或更大、或300MPa或更大的一極限抗拉強度。
有利的是，在某些實施例中獲得了理想的機械性質而不需該等無機粒子及該等不連續纖維以外的填料。在此類實施例中，該金屬基質複合物基本上由一金屬、複數個無機粒子、及複數個不連續纖維所組成。該金屬基質複合物因而可進一步含有對該金屬基質複合物的機械性質沒有實質衝擊的添加物。相比之下，基本上由一金屬、 複數個無機粒子、及複數個不連續纖維所組成的一金屬基質複合物不能進一步包括添加物諸如用於幫助該等填料分散的材料。
製作本發明之一金屬基質複合物的方法包括粉末冶金製程諸如熱壓、粉末擠製、熱軋、加熱隨之溫軋(warm rolling)、冷壓並燒結、以及熱等靜壓。本發明的複合物亦能使用熔體或鑄造製程來生產，包括擠壓鑄造、壓力鑄造及攪拌鑄造，如具有通常知識之從業人士所知。
在某些實施例中，製作一金屬基質複合物的一方法包括混合一金屬粉末、複數個無機粒子、及複數個不連續纖維，從而形成一混合物；並且燒結該混合物，從而形成該金屬基質複合物。該所得之金屬基質複合物的該金屬粉末、粒子、纖維、及性質係如上關於該第一態樣所述。
在一些實施例中，該金屬粉末、無機粒子、及不連續纖維之混合係以人工進行，諸如以手搖動裝著該等材料的一容器。搖動時常進行至少15秒、至少20秒、至少30秒、至少45秒、或至少60秒、及至多2分鐘、至多100秒、至多90秒、或至多70秒。人工混合用於一金屬基質複合物的該等組分時，可選地將裝著該等材料的一容器倒置至少一次。在某些實施例中，該金屬粉末、無機粒子、及不連續纖維的混合係使用一聲學混合器、一機械混合器、一振盪板(shaker table)、或一滾筒(tumbler)進行。使用一設備來類似地進行混合達至少15秒、至少20秒、至少30秒、至少45秒、或至少60秒、及至多2分鐘、至多100秒、至多90秒、或至多70秒。藉由混合該 等組分所產生的該混合物包含分散在該金屬粉末中的該等粒子及該等纖維。如以上所討論，使該等無機粒子及不連續纖維分散在該金屬粉末提供一實質上均質的混合物。
在混合以後，燒結該混合物。在大部分的實施例中，燒結進行至少30分鐘的時間、至少60分鐘、至少90分鐘、或至少2小時、及至多3小時或至多24小時；諸如在30分鐘及3小時(含)之間。一般而言，該混合物在一模(例如，一模具)中燒結。通常在一熱壓機或一爐中於至少攝氏250度(℃)、至少300℃、至少400℃、至少500℃、或至少600℃、及至多1,000℃、至多900℃、至多800℃、或至多700℃進行燒結；諸如在250℃及1,000℃(含)之間、或在400℃及900℃之間、或在600℃及800℃之間。在許多實施例中，溫度係以穩定速率增加直到到達所需最大溫度。
在某些實施例中，燒結進一步包含對該模中的該混合物施加壓力。例如，可選地在至少4百萬帕斯卡(MPa)、至少5MPa、至少7MPa、至少10MPa、至少12MPa、至少15MPa、或至少20MPa的一壓力進行燒結；及至多200MPa、至多150MPa、至多100MPa、至多75MPa、至多50MPa、或至多25MPa；諸如在4MPa及200MPa(含)之間、在4MPa及50MPa(含)之間、或在15MPa及200MPa(含)之間。在某些實施例中，在所施加壓力釋放後，該模經一惰性氣體(例如，氮氣或氬氣)沖洗。
在燒結製程之後，可允許該金屬基質複合物冷卻(例如在該熱壓機或爐內或外)。在一些實施例中，允許該金屬基質複合物進 行爐冷(亦即藉由關閉該爐而且等待該金屬基質複合物自行冷卻)。在其他實施例中，一冷卻劑，其例如為而沒有限制為一惰性氣體(例如，氮氣、氬氣、等)通過該熱壓機或爐以幫助該金屬基質複合物更快冷卻。
例示性實施例
實施例1係一金屬基質複合物。該金屬基質複合物包括一金屬；複數個無機粒子；及複數個不連續纖維。該等無機粒子及該等不連續纖維係分散在該金屬中。該金屬包含鋁、鎂、或其合金且該等無機粒子具有比該金屬之一密度小至少30%之一包封密度。
實施例2係如實施例1之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有比該金屬之該密度小至少8%之一包封密度並且在破裂前可耐受1%之應變。
實施例3係如實施例2之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物在破裂前可耐受2%之應變。
實施例4係如實施例1至實施例3中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有50百萬帕斯卡或更大的一降伏強度。
實施例5係如實施例1至實施例4中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有100百萬帕斯卡或更大的一降伏強度。
實施例6係如實施例1至實施例5中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有100百萬帕斯卡或更大的一極限抗拉強度。
實施例7係如實施例1至實施例6中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有200百萬帕斯卡或更大的一極限抗拉強度。
實施例8係如實施例1至實施例7中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有300百萬帕斯卡或更大的一極限抗拉強度。
實施例9係如實施例1至實施例8中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子包含多孔粒子。
實施例10係如實施例9之金屬基質複合物，其中該等多孔粒子具有每立方公分2克或更少的一最大包封密度。
實施例11係如實施例9或實施例10之金屬基質複合物，其中該等多孔粒子包含多孔金屬氧化物粒子、多孔金屬氫氧化物粒子、多孔金屬碳酸鹽、多孔碳粒子、多孔矽石粒子、多孔脫水鋁矽酸鹽粒子、多孔脫水金屬水合物粒子、沸石粒子、多孔玻璃粒子、膨脹珍珠岩粒子、膨脹蛭石粒子、多孔矽酸鈉粒子、工程多孔陶瓷粒子、非多孔初級粒子之黏聚物、或其組合。
實施例12係如實施例9至實施例11中任一項之金屬基質複合物，其中該等多孔粒子包含多孔氧化鋁粒子、多孔碳粒子、多孔矽石粒子、多孔鋁氫氧化物粒子、或其組合。
實施例13係如實施例12之金屬基質複合物，其中該等多孔粒子包含過渡型氧化鋁粒子。
實施例14係如實施例1至實施例8中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子包含陶瓷泡或玻璃泡。
實施例15係如實施例14之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子具有每立方公分2克或更少的一最大包封密度。
實施例16係如實施例14或實施例15之金屬基質複合物，其中該等玻璃泡包含的玻璃耐受加熱到攝氏700度的溫度達至少兩小時而不軟化。
實施例17係如實施例14至實施例16中任一項之金屬基質複合物，其中該等玻璃泡係和去離子水攪拌2小時而每克玻璃泡在去離子水中溶出鈉離子小於100微克的玻璃泡。
實施例18係如實施例14或實施例15之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子包含氧化鋁、鋁矽酸鹽、矽石、或其組合。
實施例19係如實施例11至實施例15或實施例18中任一項之金屬基質複合物，其中該等無機粒子包含多單元泡。
實施例20係如實施例1至實施例19中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子具有一實質上球形形狀或一針狀形狀。
實施例21係如實施例1至實施例20中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子具有範圍在50奈米(nm)及5毫米(mm)(含)之間的一平均粒徑。
實施例22係如實施例1至實施例21中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子具有範圍在1微米(μm)及1mm(含)之間的一平均粒徑。
實施例23係如實施例1至實施例22中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子具有範圍在10μm及500μm(含)之間的一平均粒徑。
實施例24係如實施例1至實施例23中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個不連續纖維包含玻璃、氧化鋁、鋁矽酸鹽、碳、玄武岩、或其一組合。
實施例25係如實施例1至實施例24中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個不連續纖維具有10：1或更大的一縱橫比。
實施例26係如實施例1至實施例25中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬包含一多孔基質結構。
實施例27係如實施例1至實施例26中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬包含鋁或其合金。
實施例28係如實施例1至實施例27中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有介於每立方公分1.80及2.50克(含)之間的一包封密度。
實施例29係如實施例1至實施例28中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有介於每立方公分2.00及2.30克(含)之間的一包封密度。
實施例30係如實施例1至實施例28中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有介於每立方公分1.80及2.20克(含)之間的一包封密度。
實施例31係如實施例1至實施例26中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬包含鎂或其合金。
實施例32係如實施例31之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有介於每立方公分1.35及1.60克(含)之間的一包封密度。
實施例33係如實施例31或實施例32之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有介於每立方公分1.55及1.60克(含)之間的一包封密度。
實施例34係如實施例31或實施例32之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有介於每立方公分1.35及1.50克(含)之間的一包封密度。
實施例35係如實施例1至實施例34中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物於一抗拉測試中在破壞前展現一降伏強度。
實施例36係如實施例1至實施例35中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬存在數量為該金屬基質複合物的50重量百分比及95重量百分比(含)之間。
實施例37係如實施例1至實施例36中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子存在數量為介於該金屬基質複合物的2重量百分比及25重量百分比(含)之間。
實施例38係如實施例1至實施例37中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個不連續纖維存在數量為介於該金屬基質複合物的2重量百分比及25重量百分比(含)之間。
實施例39係如實施例1至實施例38中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子及該複數個不連續纖維以該金屬基質複合物的5重量百分比及50重量百分比(含)之間的數量結合存在。
實施例40係如實施例1至實施例39中任一項之金屬基質複合物，其中該等無機粒子之該包封密度係比該金屬之該密度小至少40%。
實施例41係如實施例1至實施例40中任一項之金屬基質複合物，其中該等無機粒子之該包封密度係比該金屬之該密度小至少50%。
實施例42係如實施例1至實施例41中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物基本上由以下組成：該金屬；該複數個無機粒子；及該複數個不連續纖維。
實施例43係一些玻璃泡。該等玻璃泡包含的玻璃耐受加熱到攝氏700度的溫度達至少兩小時而不軟化並且在攝氏1371度展現6或更小的澆鑄指數。
實施例44係如實施例43的玻璃泡，在攝氏1371度展現5或更小、4或更小、3或更小、或2或更小的澆鑄指數。
實施例45係如實施例43或實施例44的玻璃泡，在攝氏1371度展現1的澆鑄指數。
實施例46係如實施例43至實施例45中任一項之玻璃泡，其包含之玻璃具有範圍從攝氏700度到攝氏785度(含)的一玻璃軟化溫度。
實施例47係如實施例43至實施例46中任一項之玻璃泡，其包含之玻璃具有範圍從攝氏715度到攝氏735度的一玻璃軟化溫度。
實施例48係如實施例43至實施例47中任一項之玻璃泡，其包含和去離子水攪拌2小時而每克玻璃泡在去離子水中溶出鈉離子小於100微克的玻璃。
實施例49係如實施例43至實施例48中任一項之玻璃泡，包含介於每立方公分0.5至2.3克(g/cc)的一包封密度、0.5至1.5g/cc、或0.5至0.9g/cc。
實施例50係如實施例43至實施例49中任一項之玻璃泡，其中80體積%的該等玻璃泡耐受4000psi(27.6MPa)的等靜壓而不破裂。
實施例51係如實施例43至實施例50中任一項之玻璃泡，其中80體積%的該等玻璃泡耐受6000psi(41.4MPa)的等靜壓而不破裂。
實施例52係如實施例43至實施例51中任一項之玻璃泡，其中80體積%的該等玻璃泡耐受8000psi(55.2MPa)的等靜壓而不破裂。
實施例53係如實施例43至實施例52中任一項之玻璃泡，其包含矽石、石灰、硼酸、磷酸鈣、煅氧化鋁矽酸鹽、鎂矽酸鹽、及至多約1wt.%Na2O。
實施例54係如實施例43至實施例53中任一項之玻璃泡，其包含範圍從2.5到7.5(含)的一矽石對氧化鋁重量比。
實施例55係如實施例43至實施例54中任一項之玻璃泡，其包含範圍從5.0到7.5(含)的一矽石對氧化鋁重量比。
實例
這些實例僅用於闡釋之目的，並非意圖過度限制隨附申請專利範圍的範疇。雖然本揭露之廣泛範疇內提出之數值範圍及參數係近似值，但盡可能準確地報告在特定實例中提出之數值。然而，任何數值本質上都含有其各自試驗測量時所發現的標準偏差必然導致的某些誤差。起碼，至少應鑑於有效位數的個數，並且藉由套用普通捨入技術，詮釋各數值參數，但意圖不在於限制所主張申請專利範圍範疇均等者學說之應用。
材料概述
除非另有說明，本說明書中之實例及其餘部分中的份數、百分率、比率等皆依重量計。表2提供下面實例使用的材料的說明及來源：
測試方法1.三點彎曲測試
金屬基質複合物的應力及應變係使用三點彎曲測試判定。在三點彎曲測試，一樣本沿長度方向放置於間隔32毫米(mm)的兩圓柱狀支撐之間。吊掛自測試設備的加載元(load cell)的一第三加載圓柱降下來以便接觸該樣本的中點。MTS Systems Corporation(Eden Prairie,MN)提供的一軟體控制的加載框裝有一100千牛頓(KN)加載元，其用來經由該中間加載圓柱施加一負載到該樣本中心。該系統測量施加到該樣本的力量以及針對各時間點之該中間加載圓柱距其起始位置的位移。使用標準力量方程式，將這些值各別換算成應力及應變。
測試方法2.聲學分散法
為了在一金屬中均質分散一或多種填料材料，所有材料倒進一50毫升(mL)的玻璃瓶，接著將其確實蓋好。接著，把該瓶裝進一Resodyn LabRAM聲學混合器(Resodyn Corporation,Butte,MT)，且以70%的強度使用自動頻率調整搖3分鐘，然後將其抵靠一堅硬表面拍3至5次以使所有材料落在該瓶底部。
測試方法3.離子溶出測試
100g玻璃珠樣本與1000g去離子(DI)水在超音波振盪器中攪拌約2小時。然後以每分鐘10,000轉藉由離心作用將該等玻璃珠與該DI水分開達10分鐘。藉由離子層析法測量所得之瀝取溶液的離子濃度。藉由繪製該等標準件中各離子之區域對上該標準件中該離 子濃度，來製備各離子個別的校準曲線。自該等樣本溶出之各離子濃度係使用各離子之該測量區域來判定。各離子之識別係僅透過滯留匹配法(retention matching)達成。
製備實例1
列於下面表3中的各材料的數量係混合並放置於一石英玻璃坩堝內。然後該混合物於一爐中在華氏2320度(攝氏1271度)加熱達4小時。接著，該材料係冷卻到室溫(例如，約攝氏23度)。將該材料從該坩堝鑿出，並且以一盤式研磨機(BICO Inc.,Burbank,CA)壓碎成玻璃料粒子。該玻璃料的最大尺寸小於5毫米(mm)。接著使用一噴射研磨機(Hosokawa Alpine,Augsburg,Germany)將該等玻璃料粒子噴射研磨成具有質量中值直徑(D50)係20微米(μm)的粒徑的粉末。1000g的該粉末接著混合1100g的水、2重量百分比的補充硼酸、及來自硫酸鋅的0.3重量百分比的硫、以及1重量百分比的CMC，各基於該等玻璃粉末的總重量。該漿體的總固體係製成48重量百分比。該水/玻璃料粉末漿體係以LabStar研磨機(NETZSCH Premier Technologies,LLC,Exton,PA)研磨下降到D50為一次粒徑1.4μm。來自該研磨的該漿體經噴霧乾燥以形成黏聚進料粒子。從該噴霧乾燥進料通過一天然氣火焰來生產該等玻璃泡。該總玻璃泡密度及火焰條件列於下表4中。該等所得之玻璃泡具有7微米的一D5、35微米的一D50、及60微米的一D90。
比較例1
10克(g)的Al 1-511粉末倒進具有內徑1.5英吋(3.81公分)的圓形石墨模中。該Al 1-511粉末係如下燒結：該模裝進一HP50-7010熱壓機(Thermal Technology LLC,Santa Rosa,CA)，然後以泵將設定環境抽到真空。該模從室溫以每分鐘攝氏25度(度C/分 鐘)加熱到攝氏600度，於該溫度保持15分鐘(min)。在溫度保持15分鐘後，在攝氏600度施加640公斤(kg)的力量(對於這個大小的模是每平方英吋800磅的壓力)達1小時(hr)。接著釋放壓力、將腔充氮、而允許該模爐冷回降到室溫。所產生之燒結圓盤之尺寸以及其質量，係經測量以計算出每立方公分1.91克(g/cc)的一包封密度，係比完全緻密的純鋁小29%。從該圓盤的中間切下寬約0.5英吋(1.27公分)長1.5英吋(3.81公分)的一條，而此條經受上述的三點彎曲測試。該樣本具有31百萬帕斯卡(MPa)的一極限抗拉強度。結果顯示於以下表6中及圖2中。
比較例2
10g的Al 1-511粉末及1g的玻璃泡經由上述該人工分散法混合，而該混合物倒入如比較例1的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例1的相同燒結程序。該所得之燒結圓盤具有1.58g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表6中及圖2中。
比較例3
10g的Al 1-511粉末及1g的陶瓷纖維經由上述該人工分散法混合，且該混合物倒入如比較例1及比較例2的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例1的相同燒結程序。該所得之圓盤具 有2.11g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表6中及圖2中。
比較例4
9g的Al 1-511粉末、0.3g的玻璃泡、及1.7g的陶瓷纖維經粗略攪拌，且該混合物倒入如比較例1至比較例3的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例1的相同燒結程序。該所得之圓盤具有1.72g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表6中及圖2中。
實例5
9g的Al 1-511粉末、0.3g的玻璃泡、及1.7g的陶瓷纖維經由上述該人工分散法混合，而該混合物倒入如比較例1至比較例4的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例1的相同燒結程序。該所得之圓盤具有1.83g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於圖2之下表6中。
實例6
10g的Al 1-511粉末、0.5g的玻璃泡、及0.5g的陶瓷纖維經由上述該人工分散法混合，而該混合物倒入如比較例1至比較例4及實例5的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例1的 相同燒結程序。該所得之圓盤具有1.71g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表6中。
實例7
8g的Al 1-511粉末、0.45g的玻璃泡、及2.55g的陶瓷纖維經由上述該人工分散法混合，而該混合物倒入如比較例1至比較例4及實例5至實例6的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例1的相同燒結程序。該所得之圓盤具有1.78g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表6中。
實例8
7g的Al 1-511粉末、0.6g的玻璃泡、及3.4g的陶瓷纖維經由上述該人工分散法混合，而該混合物倒入如比較例1至比較例4及實例5至實例7的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例1的相同燒結程序。該所得之圓盤具有1.63g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表6中。
比較例9
10.8克(g)的Al 6063粉末倒進具有內徑1.575英吋(4.00公分)的一圓形石墨模中。該Al 6063粉末係如下燒結：該模裝進一Toshiba Machine GMP-411VA玻璃模壓機(Toshiba Machine Co.,Numazu-shi,Japan)，且該設定環境充氮60秒、接著以泵抽到真空。該模從攝氏40度以每分鐘攝氏28度(度C/分鐘)加熱到攝氏600度。一旦該模達到600度C，保持在彼溫度同時該模上的該力量逐漸從零施力增加到21,000牛頓(對於這個大小的模是2400psi(或16.55MPa)的壓力)。在20分鐘的過程中所發生的力量漸增大約為線性。一旦達到21,000N的全部力量，該模在600度C保持在此狀態達1小時。接著釋放壓力、且允許該模爐冷降到室溫。所產生之燒結圓盤之尺寸以及其質量，係經測量以計算出每立方公分2.51克(g/cc)的一包封密度，係比完全緻密的鋁6063小7%。從該圓盤的中間切下寬約0.5英吋(1.27公分)長1.5英吋(3.81公分)的一條，而此條經受上述的三點彎曲測試。該樣本具有203百萬帕斯卡(MPa)的一極限抗拉強度。結果顯示於以下表7中及圖3中。
比較例10
8.64g的Al 6063粉末及0.48g的氧化鋁粉末經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如比較例9的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例9的相同燒結程序。該所得之燒結圓盤具有2.34g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表7中及圖3中。
比較例11
9.72g的Al 6063粉末及1.56g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如比較例9至比較例10的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例9的相同燒結程序。該所得之圓盤具有2.65g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表7中及圖3中。
實例12
7.56g的Al 6063粉末、0.48g的氧化鋁粉末、及1.56g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如比較例9至比較例11的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例9的相同燒結程序。該所得之圓盤具有2.45g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表7中及圖3中。
實例13
5.4g的Al 6063粉末、0.96g的氧化鋁粉末、及1.56g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如比較例9至比較例11及實例12的相同石墨模。該設定環境接著經受上述比較例9的相同燒結程序。該所得之圓盤具有2.11g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表7中及圖3中。
實例14
5.4g的Al 6063粉末、0.96g的氧化鋁粉末、及1.56g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如比較例9至比較例11及實例12至實例13的相同石墨模。該模裝進一Toshiba Machine GMP-411VA玻璃模壓機(Toshiba Machine Co.,Numazu-shi,Japan)，且該設定環境充氮60秒、接著以泵抽到真空。該模從攝氏40度以30度C/min加熱到攝氏630度。一旦該模達到攝氏630度，保持在彼溫度同時該模上的該力量逐漸從零施力增加到34,664牛頓(對於這個大小的模是4000psi(或27.58MPa)的壓力)。在20分鐘的過程中所發生的力量漸增大約為線性。一旦達到34,664N的全部力量，該模在630度C保持在此狀態達1小時。接著釋放壓力、且允許該模爐冷降到室溫。該所得之圓盤具有2.19g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表7中及圖3中。
表7：實例的組成物及機械性質
比較例15
10.8克(g)的Al 6063粉末倒進具有內徑1.575英吋(4.00公分)的一圓形石墨模裡。該Al 6063粉末係如下燒結：該模裝進一Toshiba Machine GMP-411VA玻璃模壓機(Toshiba Machine Co.,Numazu-shi,Japan)，且該設定環境充氮60秒、接著以泵抽到真空。該模從攝氏40度以每分鐘攝氏28度(度C/分鐘)加熱到攝氏615度。一旦該模達到615度C，保持在彼溫度同時該模上的該力量逐漸從零力量增加到21,000牛頓(對於這個大小的模是1600psi的壓力)。在20分鐘的過程中所發生的力量漸增大約為線性。一旦達到21,000N的全部力量，該模在600度C保持在此狀態達1小時。接著釋放壓力、且允許該模爐冷降到室溫。所產生之燒結圓盤之尺寸以及其質量，係經測量以計算出每立方公分2.51克(g/cc)的一包封密度，係比完全緻密的鋁6063小7%。從該圓盤的中間切下寬約0.5英吋(1.27公分)長1.575英吋(4.00公分)的一條，而此條經受上述的三點彎曲測試。該樣本具有203百萬帕斯卡(MPa)的一極限抗拉強度。結果顯示於以下表8中及圖4。
實例16
5.4g的Al 1-511粉末、0.96g的玻璃泡、及0.78g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如比較例15的相同石墨模。該模裝進一Toshiba Machine GMP-411VA玻璃模壓機(Toshiba Machine Co.,Numazu-shi,Japan)，且該設定環境充氮60秒、接著以泵抽到真空。該模從攝氏40度以每分鐘攝氏30度(度C/分鐘)加熱到攝氏615度。一旦該模達到615度C，保持在彼溫度同時該模上的該力量逐漸從零力量增加到13,954牛頓(對於這個大小的模是1600psi的壓力)。在20分鐘的過程中所發生的力量漸增大約為線性。一旦達到13,954N的全部力量，該模在615度C保持在此狀態達1小時。接著釋放壓力、且允許該模爐冷降到室溫。該所得之圓盤具有1.93g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表8中及圖4。
實例17
5.4g的Al 1-511粉末、0.96g的玻璃泡、及0.78g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如實例16的相同石墨模。該裝置接著經受上述實例16的相同燒結程序。該所得之圓盤具有1.91g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表8中及圖4。
實例18
5.4g的Al 1-511粉末、0.96g的Lightstar 106微珠、及0.78g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如實例16的相同石墨模。該裝置接著經受上述實例16的相同燒結程序。該所得之圓盤具有1.93g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表8中及圖4。
實例19
5.4g的Al 1-511粉末、0.96g的High Alumina 106微珠、及0.78g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如實例16的相同石墨模。該裝置接著經受上述實例16的相同燒結程序。該所得之圓盤具有1.95g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表8中及圖4。
實例20
5.4g的Al 1100粉末、0.96g的Econostar 106微珠、及0.78g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如實例16的相同石墨模。該裝置接著經受上述實例16的相同燒結程序。該所得之圓盤具有1.93g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表8中及圖4。
表8：實例的組成物及機械性質
實例21
5.4g的Al 1-511粉末、0.96g的部分燒結碳化矽黏聚粒子、及0.78g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如實例16的相同石墨模。該裝置接著經受上述實例16的相同燒結程序。該產生之圓盤具有2.28g/cc的一包封密度、190MPa的一極限抗拉強度、及3.4%的一破壞應變。三點彎曲測試的結果顯示於圖5中。
實例22
5.94g的Al 1-131粉末、0.96g的Lightstar 106微珠、及0.78g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如實例16的相同石墨模。該裝置接著經受上述實例16的相同燒結程序。該所得之圓盤具有1.98g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於以下表9中及圖6中。
實例23
7.56g的Al 1-131粉末、0.6g的Lightstar 106微珠、及0.78g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如實例16的相同石墨模。該裝置接著經受上述實例16的相同燒結程序。該所得之圓盤具有2.21g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於表9中及圖6中。
實例24
7.02g的Al 1-131粉末、0.72g的Lightstar 106微珠、及0.78g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如實例16的相同石墨模。該裝置接著經受上述實例16的相同燒結程序。該所得之圓盤具有2.12g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於表9中及圖6中。
實例25
7.02g的Al粉末、0.72g的Lightstar 106微珠、及0.78g的陶瓷纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如實例16的相同石墨模。該裝置接著經受上述實例16的相同燒結程序。該所得之圓盤具有2.00g/cc的一包封密度。三點彎曲測試的結果顯示於表9中及圖6中。
表9：實例的組成物及機械性質
實例26
5.94g的Al 1-131粉末、0.84g的Lightstar 106微珠、及1.016g的玻璃纖維經由上述該聲學分散法混合，且該混合物倒入如實例16的相同石墨模。該裝置接著經受上述實例16的相同燒結程序。該產生之圓盤具有2.00g/cc的一包封密度、159MPa的一極限抗拉強度、及1.8%的一破壞應變。三點彎曲測試的結果顯示於圖7中。
雖然本說明書已詳細描述某些例示性實施例，但將瞭解所屬技術領域中具有通常知識者在理解前文敘述後，可輕易設想出這些實施例的替代、變化、及等同物。更進一步地說，在本文中所提及的全部公開案與專利皆全文以引用方式併入本文中，其引用程度就如同將各個各別公開案或專利明確並且各別地指示以引用方式併入本文中。已描述各種例示性實施例。這些及其他實施例係在以下申請專利範圍的範疇之內。
10‧‧‧金屬
12‧‧‧無機粒子
14‧‧‧不連續纖維
100‧‧‧金屬基質複合物

Claims (15)

  1. 一種金屬基質複合物，其包含：a. 一金屬，該金屬包含鋁、鎂、或其合金；b. 複數個無機粒子，該等無機粒子具有比該金屬之一密度小至少30%之一包封密度(envelope density)；以及c. 複數個不連續纖維，其中該等無機粒子及該等不連續纖維係分散在該金屬中。
  2. 如請求項1之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有比該金屬之該密度小至少8%之一包封密度並且在破裂前可耐受1%之一應變。
  3. 如請求項2之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物在破裂前可耐受2%之一應變。
  4. 如請求項1至3中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物具有50百萬帕斯卡或更大的一降伏強度。
  5. 如請求項1至4中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子包含多孔粒子，該等多孔粒子包含多孔金屬氧化物粒子、多孔金屬氫氧化物粒子、多孔金屬碳酸鹽、多孔碳粒子、多孔矽石粒子、多孔脫水鋁矽酸鹽粒子、多孔脫水金屬水合物粒子、沸石粒子、多孔玻璃粒子、膨脹珍珠岩粒子、膨脹蛭石粒子、多孔矽酸鈉粒子、工程多孔陶瓷粒子、非多孔初級粒子之黏聚物、或其組合。
  6. 如請求項1至4中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子包含陶瓷泡或玻璃泡。
  7. 如請求項6之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子包含氧化鋁、鋁矽酸鹽、矽石、或其組合。
  8. 如請求項1至7中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個無機粒子包含範圍在1μm及1mm(含)之間的一平均粒徑。
  9. 如請求項1至8中任一項之金屬基質複合物，其中該複數個不連續纖維包含玻璃、氧化鋁、鋁矽酸鹽、碳、玄武岩、或其一組合。
  10. 如請求項1至9中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬包含一多孔基質結構。
  11. 如請求項1至10中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬包含鋁或其合金且其中該金屬基質複合物具有每立方公分介於1.80及2.50克(含)之間的一包封密度。
  12. 如請求項1至10中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬包含鎂或其合金且其中該金屬基質複合物具有每立方公分介於1.35及1.60克(含)之間的一包封密度。
  13. 如請求項1至12中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物於一抗拉測試中在破壞前展現一降伏強度。
  14. 如請求項1至13中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬存在數量係介於該金屬基質複合物的50重量百分比及95重量百分比(含)之間。
  15. 如請求項1至14中任一項之金屬基質複合物，其中該金屬基質複合物基本上由以下組成：該金屬；該複數個無機粒子；及該複數個不連續纖維。
TW105140338A 2015-12-08 2016-12-07 包括無機粒子及不連續纖維之金屬基質複合物及其製作方法 TW201736621A (zh)

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