(57)【要約】【課題】再生医療、歯科治療、電気機器および空調機器に利用可能な高い空隙率を有するチタン繊維三次元構造焼結体およびその製造方法を提供する。【解決手段】チタン金属繊維およびチタン合金繊維のうちの少なくとも一方からなり、焼結されることにより所定範囲の空隙率を有し、かつ三次元状のまとまりを持つ大きさと形状に一体的に形成されたことを特徴とする。【選択図】　　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン金属繊維およびチタン合金繊維のうちの少なくとも一方からなり、焼結されることにより所定範囲の空隙率を有し、かつ三次元状のまとまりを持つ大きさと形状に一体的に形成されたことを特徴とするチタン繊維三次元構造焼結体。
【請求項２】
前記空隙率が、４０〜９５％の範囲にあることを特徴とする請求項１記載のチタン繊維三次元構造焼結体。
【請求項３】
前記繊維の換算繊維直径が、１〜３００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載のチタン繊維三次元構造焼結体。
【請求項４】
前記形状が、円柱、角柱、円筒、角筒、円錐台、角錐台、球、各種回転体、またはこれらの組み合わせからなる対称体または非対称体であることを特徴とする請求項１記載のチタン繊維三次元構造焼結体。
【請求項５】
三次元デザイン上のＸ軸方向長さとＹ軸方向長さのアスペクト比Ａ１、Ｙ軸方向長さとＺ軸方向長さのアスペクト比Ａ２、Ｚ軸方向長さとＸ軸方向長さのアスペクト比Ａ３をそれぞれ１０以下とし、三次元デザイン上の原点から外形輪郭までの展開度Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）を小さくしたことを特徴とする請求項１記載のチタン繊維三次元構造焼結体。
【請求項６】
（ａ）チタン金属原料およびチタン合金原料のうちの少なくとも一方から切削法または伸線法を用いてチタン系繊維を製造する工程と、
（ｂ）前記チタン系繊維を型枠内に所定の空隙率となるように充填し、三次元状のまとまりを持つ大きさと形状に成形する工程と、
（ｃ）前記チタン系繊維の成形体を焼結する工程と
を具備するチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法。
【請求項７】
前記（ａ）工程では、１〜３００μｍの範囲の換算繊維直径を有するチタン系繊維を得ることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記（ｂ）工程では、焼結後の比重量が０．２３〜２．７１ｇ／ｃｍ３となるように型枠にチタン系繊維を充填することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記（ａ）工程では、集束伸線法、コイル切削法またはびびり振動切削法のうちのいずれか１つの方法を用いて前記チタン系繊維を製造することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記（ｃ）工程では、焼結温度を９００℃〜１３００℃の範囲とすることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１１】
前記（ｃ）工程は、真空または不活性ガスの雰囲気下で行うことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１２】
さらに前記（ｃ）工程において、前記成形体を加圧することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１３】
三次元デザイン上のＸ軸方向長さとＹ軸方向長さのアスペクト比Ａ１、Ｙ軸方向長さとＺ軸方向長さのアスペクト比Ａ２、Ｚ軸方向長さとＸ軸方向長さのアスペクト比Ａ３をそれぞれ１０以下とし、三次元デザイン上の原点から外形輪郭までの展開度Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）を小さくしたことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１４】
（ａ）チタン金属原料およびチタン合金原料のうちの少なくとも一方から切削法または伸線法を用いてチタン系繊維を製造する工程と、
（ｂ）前記チタン系繊維を所定の空隙率を有するシート状に成形するシート成形工程と、
（ｃ）得られたシート成形体を焼結する工程と、
（ｄ）このシート焼結体を所定の形状に切り出した後に、三次元状のまとまりを持つ大きさと形状に積層し、成形する積層成形工程と、
（ｅ）得られた積層成形体を再焼結する工程と
を具備するチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法。
【請求項１５】
前記（ａ）工程では、１〜３００μｍの範囲の換算繊維直径を有するチタン系繊維を得ることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記（ｂ）工程では前記空隙率を４０〜９５％の範囲とし、前記（ｄ）工程ではどの部分においても前記シート成形体を二層以上積み重ねることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記（ａ）工程では、集束伸線法、コイル切削法またはびびり振動切削法のうちのいずれか１つの方法を用いて前記チタン系繊維を製造することを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
前記（ｃ）工程および前記（ｅ）工程の少なくともいずれか一方では、焼結温度を９００℃〜１３００℃の範囲とすることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
前記（ｃ）工程および前記（ｅ）工程の少なくともいずれか一方は、真空または不活性ガスの雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
さらに前記（ｃ）工程および前記（ｅ）工程の少なくともいずれか一方において前記成形体を加圧することを特徴とする請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工骨、人工歯根、電極、フィルター等に用いられるチタン繊維三次元構造焼結体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チタン系金属材料は、比強度が大きく、耐食性に優れ、生体親和性にも優れているため、工業分野では各種機器のフィルターや電極材料に、生体・医療分野では人工骨や人工歯根等に広範囲にわたって用いられている。ところで、チタンは機械加工することが一般に困難な難加工材であるために、高精度の加工品や複雑形状の部品等を製造することが困難であり、高コストとなる。このため、チタン粉末を用いて製品に近似した形状に成形し、ニアネット成形体を焼結する粉末焼結法が利用されている。
【０００３】
チタンの粉末焼結法は、例えば、特開平１０−２５１７０６号公報、特開平７−２８９５６６号公報に記載されている。前者は、チタン粉末焼結体の機械的特性を向上させ、焼結変形を少なくするためにチタン粉末成形体をＢＮ（窒化ボロン）粉末の中に埋め込んで焼結するチタン成形体の焼結方法を開示している。後者は、チタンの難機械加工性に伴う問題を解決するために金属粉末射出成形法を利用した成形体を焼結することにより得られる機械的特性に優れた安全なチタン製歯列矯正部品を開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のチタン粉末焼結法では、製品に要求される寸法精度と機械的特性（強度）を満たすために、焼結体の密度を所定レベル以上にする必要がある。このため、チタン粉末焼結法では、焼結体の空隙率を向上させることが難しく、特殊な製造方法を用いたとしても得られるチタン焼結体の空隙率はせいぜい３０％程度が限界であった。
【０００５】
一方、特定の用途においては、高い空隙率を有するチタン製焼結体が求められている。例えば、再生医療分野では、生体骨に近いか又はそれ以上の強度を有し、治癒期間が短く、かつ、骨髄中の未分化間葉系幹細胞の成長を促進するために足場材として高い空隙率を有する人工骨が求められている。また、歯科治療の分野では、人工歯根に対して歯根培養に十分な間隙が求められるため、優れた機械的特性を保ちつつ空隙率を高めることが要望されている。また、電気機器の分野では、電極における電流密度を大きくし、かつ放熱性能を向上させるために、多孔質化することが求められている。また、空調機器の分野では、圧力損失を抑え、かつパーティクルの捕捉効率を向上させることと軽量化を図るためにフィルター材料の空隙率を高めることが要望されている。
【０００６】
ＥＰ０１７８６５０Ａ２公報には骨組織の再生医療に用いることを目的とする多孔質可撓性チタン繊維材料が記載されている。しかし、同先行文献のチタン繊維材料はシート、メッシュ又はパッドなどの二次元形状のみに限られており、円柱などの三次元形状のものではない。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、再生医療、歯科治療、電気機器、および空調機器に利用可能な高い空隙率を有するチタン繊維三次元構造焼結体およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体は、チタン金属繊維およびチタン合金繊維のうちの少なくとも一方からなり、焼結されることにより所定範囲の空隙率を有し、かつ三次元状のまとまりを持つ大きさと形状に一体的に形成されたことを特徴とする。
【０００９】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体は、前記空隙率が、４０〜９５％の範囲にあることが好ましい。
【００１０】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体は、前記繊維の換算繊維直径が、１〜３００μｍの範囲にあることが好ましい。
【００１１】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体は、前記形状が、円柱、角柱、円筒、角筒、円錐台、角錐台、球、各種回転体、またはこれらの組み合わせからなる対称体または非対称体であることが好ましい。
【００１２】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、（ａ）チタン金属原料およびチタン合金原料のうちの少なくとも一方から切削法または伸線法を用いてチタン系繊維を製造する工程と、
（ｂ）前記チタン系繊維を型枠内に所定の空隙率となるように充填し、三次元状のまとまりを持つ大きさと形状に成形する工程と、
（ｃ）前記チタン系繊維の成形体を焼結する工程と
を具備する。
【００１３】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、前記（ａ）工程では、１〜３００μｍの範囲の換算繊維直径を有するチタン系繊維を得ることが好ましい。
【００１４】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、前記（ｂ）工程では、焼結後の比重量が０．２３〜２．７１ｇ／ｃｍ３となるように型枠にチタン系繊維を充填することが好ましい。
【００１５】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、前記（ａ）工程では、集束伸線法、コイル切削法またはびびり振動切削法のうちのいずれか１つの方法を用いて前記チタン系繊維を製造することが好ましい。
【００１６】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、前記（ｃ）工程では、焼結温度を９００℃〜１３００℃の範囲とすることが好ましい。
【００１７】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、前記（ｃ）工程は、真空または不活性ガスの雰囲気下で行うことが好ましい。
【００１８】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、さらに前記（ｃ）工程において、前記成形体を加圧することが好ましい。
【００１９】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、（ａ）チタン金属原料およびチタン合金原料のうちの少なくとも一方から切削法または伸線法を用いてチタン系繊維を製造する工程と、
（ｂ）前記チタン系繊維を所定の空隙率を有するシート状に成形するシート成形工程と、
（ｃ）得られたシート成形体を焼結する工程と、
（ｄ）このシート焼結体を所定の形状に切り出した後に、三次元状のまとまりを持つ大きさと形状に積層し、成形する積層成形工程と、
（ｅ）得られた積層成形体を再焼結する工程と
を具備する。
【００２０】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、前記（ａ）工程では、１〜３００μｍの範囲の換算繊維直径を有するチタン系繊維を得ることが好ましい。
【００２１】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、前記（ｂ）工程では前記空隙率を４０〜９５％の範囲とし、前記（ｄ）工程ではどの部分においても前記シート成形体を二層以上積み重ねることが好ましい。
【００２２】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、前記（ａ）工程では、集束伸線法、コイル切削法またはびびり振動切削法のうちのいずれか１つの方法を用いて前記チタン系繊維を製造することが好ましい。
【００２３】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、前記（ｃ）工程および前記（ｅ）工程の少なくともいずれか一方では、焼結温度を９００℃〜１３００℃の範囲とすることが好ましい。
【００２４】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、前記（ｃ）工程および前記（ｅ）工程の少なくともいずれか一方は、真空または不活性ガスの雰囲気下で行うことが好ましい。
【００２５】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、さらに前記（ｃ）工程および前記（ｅ）工程の少なくともいずれか一方において前記成形体を加圧することが好ましい。
【００２６】
さらに、本発明のチタン繊維三次元構造焼結体は、好ましくは三次元デザイン上のＸ軸方向長さとＹ軸方向長さのアスペクト比Ａ１、Ｙ軸方向長さとＺ軸方向長さのアスペクト比Ａ２、Ｚ軸方向長さとＸ軸方向長さのアスペクト比Ａ３をそれぞれ１０以下とし、三次元デザイン上の原点から外形輪郭までの展開度Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）を小さくしたことを特徴とする。
【００２７】
また、本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法は、好ましくは三次元デザイン上のＸ軸方向長さとＹ軸方向長さのアスペクト比Ａ１、Ｙ軸方向長さとＺ軸方向長さのアスペクト比Ａ２、Ｚ軸方向長さとＸ軸方向長さのアスペクト比Ａ３をそれぞれ１０以下とし、三次元デザイン上の原点から外形輪郭までの展開度Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）を小さくしたことを特徴とする。
【００２８】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体はＣＡＤを用いてデザインされる。骨組織の再生医療の場合を例にとって説明する。デザイナーは先ずＸ線透過写真などの診断データを作成し、そのデータに基づいて欠損した骨の輪郭をＣＡＤ画面上でなぞり、欠損部分に補充されるべき焼結体の概略の三次元形状と大きさを決定する。デザイナーは焼結体の三次元形状と大きさの決定にあたり専門医と相談してデザインディテールを詰める。細部までデザインが決まると、それに応じた形状と大きさの中空部をもつシリンダーをＣＡＤ画面上でデザインする。このデザインに基づいて所定の中空部を有するアルミナシリンダーを作製し、これを用いて本発明のチタン繊維三次元構造焼結体を成形し焼結する。
【００２９】
ここで「三次元状のまとまりをもつ大きさと形状」とは、三次元デザイン上の展開度が小さいことを意味し、具体的には三次元デザイン上の縦と横のアスペクト比、横と奥行きのアスペクト比、奥行きと縦のアスペクト比をそれぞれ１０以下とすることを意味する。三次元デザイン上の焼結体の原点（例えば、重心）から外形輪郭までの座標上の広がりを表す展開度をＥ（ｘ，ｙ，ｚ）とし、さらにＸ軸方向長さとＹ軸方向長さのアスペクト比をＡ１、Ｙ軸方向長さとＺ軸方向長さのアスペクト比をＡ２、Ｚ軸方向長さとＸ軸方向長さのアスペクト比をＡ３とした場合に、これらの関係は次式（１）を満足するものとする。
【００３０】
Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）＝（Ａ１×Ａ２×Ａ３）１／３…（１）
但し、Ａ１≦１０，Ａ２≦１０，Ａ３≦１０とする。
【００３１】
例えば、縦１ｃｍ、横１ｃｍ、奥行き（高さ）８ｃｍの直方体（角柱）では、展開度Ｅは、４＝（８×８×１）１／３になる。完全球体や正方体の展開度Ｅは１になる。本発明では、展開度Ｅを４．５以下とすることが好ましく、より好ましくは４以下とする。
【００３２】
＜チタン系繊維＞
チタン金属繊維は、例えば、ＪＩＳ規格の第１種、第２種、または第３種に定められた純金属チタンの１種またはそれ以上を含むが、これらに限られるものではない。また、チタン合金繊維は、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−５Ａｌ−３Ｍｏ−４Ｚｒ、Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｎｂ−１Ｔａ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｎｂ−１Ｔａ、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｆｅ、Ｔｉ−１５Ｓｎ−４Ｎｂ−２Ｔａ−０．２Ｐｄ、Ｔｉ−４．５Ａｌ−５Ｍｏ−１．５Ｃｒ、Ｔｉ−１５Ｍｏ−３Ｎｂ−３Ａｌ−０．２Ｓｉ、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ、Ｔｉ−１１Ｍｏ−６Ｚｒ−４．５Ｓｎ、Ｔｉ−１１．５Ｍｏ−６Ｚｒ−２Ｆｅ、Ｔｉ−１５ｍａｓｓ％Ｚｒ−３％Ｎｂ−０．２％Ｓｉ、Ｔｉ−１３Ｚｒ−１３Ｎｂ、Ｔｉ−１５Ｚｒ−４Ｎｂ−４Ｔａ−０．２Ｐｄ、Ｔｉ−１５Ｓｎ−４Ｎｂ−２Ｔａ−０．２Ｐｄ−０．２Ｏ、Ｔｉ−１５Ｚｒ−４Ｎｂ−４Ｔａ−０．２Ｐｄ−０．２Ｏ−０．０５Ｎのようなチタン合金およびその他の生体親和材料であるチタン合金の１種またはそれ以上を含むが、これらに限られるものではない。
【００３３】
チタン系繊維は、短繊維を含むものであってもよい。ここで、繊維とは、複数本を縒り合せることができる長さを有するものをいう。短繊維は、縒り合せることはできないが、アスペクト比を１５以上とするものであれば、本発明の原材料として用いることが可能である。
【００３４】
チタン系繊維の換算繊維直径は、１〜３００μｍの範囲とすることが好ましい。換算繊維直径が１μｍ未満であると、繊維の製造が困難であると同時に、成形時の充填密度が過度に上昇し、得られる焼結体の空隙率が５０％を下回る恐れがある。一方、換算繊維直径が３００μｍを超えると、必要以上に間隙が大きくなるばかりでなく、剛性が大きくなり、成形時に型枠内への充填が困難になる恐れがある。よって、換算繊維直径は、好ましくは１〜３００μｍの範囲、より好ましくは１０〜２００μｍの範囲とする。
【００３５】
なお、換算繊維直径は、チタン繊維の断面を顕微鏡で観察し、直接測定を行った。
【００３６】
＜チタン繊維三次元構造焼結体＞
（１）形状
焼結体の形状は、特に限定されないが、例えば、円柱、角柱、円筒、角筒、円錐台、角錐台、球、各種回転体、またはこれらの組み合わせからなる対称体または非対称体を含む。非対称体は、横断面が真円を潰して扁平化した擬似凸面楕円形および／または擬似凹面楕円形を含むものとする。
【００３７】
（２）空隙率
本発明に係るチタン繊維三次元構造焼結体は、所定の空隙率を有する。
【００３８】
空隙率は、以下の式（２）により求める。
【００３９】
ＲＰ＝（１−ｍ／Ｖ×ρ）×１００　　　（２）
ここで、ＲＰ：空隙率（％）、ｍ：焼結体の質量（ｇ）、Ｖ：焼結体の体積（ｃｍ３）、ρ：密度（ｇ／ｃｍ３）である。
【００４０】
以下、用途ごとに空隙率の好適な範囲について説明する。
【００４１】
再生医療分野では、生体骨に近いか又はそれ以上の強度を有し、治癒期間が短く、かつ、骨髄中の未分化間葉系幹細胞の成長を促進するために足場材として高い空隙率を有する人工骨が求められている。このため、再生医療用のチタン繊維三次元構造焼結体では空隙率を好ましくは４０〜９５％の範囲とする。空隙率が４０％未満であると、目的の用途における所望の特性が得られない恐れがあるばかりか、より多くのチタン繊維を必要とするために、製造におけるコストの問題が生じる恐れがある。一方、空隙率が９５％を超えると、十分な強度を確保することが困難になる恐れがあるとともに、補助材を用いないで所望の形状に成形し、焼結することができなくなる恐れがある。このため、空隙率は、好ましくは６０〜９５％の範囲、より好ましくは７０〜９０％の範囲とする。
【００４２】
歯科治療の分野では、人工歯根に対して歯根培養に十分な空間が要求されるため、空隙率を高めることが望ましい。よって、人工歯根に用いられるチタン繊維三次元構造焼結体では、空隙率を好ましくは６０〜９５％の範囲、より好ましくは７０〜９０％の範囲とする。
【００４３】
電気機器の分野では、電極における電流密度を大きくし、かつ放熱性能を向上させるために、多孔質化することが求められている。よって、電極材料に用いられるチタン繊維三次元構造焼結体では、空隙率を好ましくは４０〜９０％の範囲、より好ましくは４０〜６０％の範囲とする。
【００４４】
空調機器の分野では、圧力損失を抑え、かつパーティクルの捕捉効率を向上させることと軽量化を図るためにフィルター材料の空隙率を高めることが望ましい。よって、フィルター材料に用いられるチタン繊維三次元構造焼結体では、空隙率を好ましくは６０〜９５％の範囲、より好ましくは７０〜９０％の範囲とする。
【００４５】
空隙率は、チタン繊維三次元構造焼結体の比重量を変えることにより様々に制御することができる。４０〜９５％の範囲の空隙率を得るためには、比重量を０．２３〜２．７１ｇ／ｃｍ３の範囲で設定することが好ましい。
【００４６】
（３）空孔径
空孔径は、ＰＭＩ　ＡＵＴＯＭＡＴＥＤ　ＰＥＲＭ−ＰＯＲＯＭＥＴＥＲ（ＰＯＲＯＵＳ　ＭＡＴＥＲＩＡＬ　ＩＮＣ社製）又は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定した。
【００４７】
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の空孔径は、１０〜１０００μｍの範囲とすることが好ましい。空孔径が１０μｍ未満であると、人工歯根としては歯根培養のために繊維相互間に十分な間隙を確保することができず、またフィルター材料としては所望の透過性が得られなくなる恐れがある。一方、空孔径が１０００μｍを超えると、目的の用途における所望の特性が得られない恐れがあるばかりか、所望の空隙率の範囲を得ることが困難になる。このため空孔径は、好ましくは１０〜１０００μｍの範囲、より好ましくは５０〜５００μｍの範囲とする。
【００４８】
空孔径は、以下の要素と条件により制御することが可能である。第１に繊維の換算繊維直径、第２に繊維の目付量、第３に焼結体の空隙率である。すなわち、換算繊維直径を小さくすること、目付量を多くすること、空隙率を下げることの少なくともいずれか１つを行うことにより、空孔径を小さくすることが可能であり、換算繊維直径を大きくすること、目付量を少なくすること、空隙率を上げることの少なくともいずれか１つを行うことにより、空孔径を大きくすることができる。１０〜１０００μｍの範囲の空孔径を得るためには、たとえば、換算繊維直径を１０〜２００μｍ、比重量を０．４５〜２．２６ｇ／ｃｍ３、空隙率を５０〜９０％の範囲とすることが好ましい。
【００４９】
なお、空孔径は、再生医療に用いる場合は、１００〜３００μｍ、人工歯根に用いる場合は、１００〜１０００μｍ、電極材料に用いる場合は、５０〜１００μｍ、フィルターに用いる場合は、１０〜１００μｍの範囲とすることが好ましい。
【００５０】
（４）強度
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体は、５ＭＰａ以上の引張強度を有することが好ましい。引張強度は、焼結体をＪＩＳ　Ｚ　２５５０に規定された試験片の型に打ち抜き、この引張試験片の引張強度を万能圧縮引張試験機により測定するものとする。特に、再生医療に用いる場合は、２０〜３０ＭＰａ、人工歯根に用いる場合は、２０〜３０ＭＰａの引張強度を有することが好ましい。
【００５１】
＜チタン系繊維の製造＞
本発明のチタン系繊維の製造には、チタンまたはチタン合金原料の少なくともいずれか一方から繊維を削り出す「切削法」、あるいは、チタンまたはチタン合金原料の少なくともいずれか一方からなる母材を伸線加工する「伸線法」のいずれかが用いられる。「切削法」に用いられるチタンおよびチタン合金原料は、塊状、板状、板状部材を積層したもの、板状部材を渦巻状に捲回したもの、またはその他の形態を含むが、これらに限られるものではない。「伸線法」に用いられる母材は、特に限定されないが、好ましくは線材である。
【００５２】
繊維製造方法には、例えば、特許第３０８３１４４号公報（コイル切削法）、特許第２７２８９３９号公報（薄板切削法）、特開平１−１５３２３１号公報、特開平１−３１６１３７号公報、特開平２−３０３７２９号公報、特開平３−１６１２２０号公報、特開平４−８２６２６号公報および特開平４−８２６２７号公報などで開示された方法がある。本発明に係るチタン系繊維の製造にはいかなる方法を用いても良いが、特に、換算繊維直径を規定し易いため、特許第３０８３１４４号公報に記載されているような金属繊維製造方法を用いることが好ましい。
【００５３】
＜チタン系繊維の成形・焼結＞
本発明のチタン繊維三次元構造焼結体は、チタン系繊維を型枠内に充填し、所定の三次元形状に成形し、所定の範囲の空隙率となるように成形する「成型法」、またはチタン系繊維を所定の空隙率を有するシート状に成形し、真空または不活性ガスの雰囲気下で焼結し、所定の形状に切り出した後に積層することで、所定の三次元形状に成形する「積層法」のうちのいずれか一方を用いて成形し、真空または不活性ガスの雰囲気下で焼結することにより製造される。
【００５４】
ここで、三次元構造とは、シートを少なくとも二層積層したものをいう。
【００５５】
成形工程と焼結工程は、別々に行っても良いし、同時に行っても良い。
【００５６】
型枠は、特に限定されないが、高融点を有し、チタンおよびチタン合金と反応性のない材質、例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ等の高融点金属材料、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、サイアロン等のセラミックス材料を用いることが好ましい。
【００５７】
なお、成形工程時に、空隙率を制御するために、添加剤化合物をチタン系繊維に加えることが可能である。この場合、焼結時に焼結温度より低い温度でこの添加剤を除去すること、またはその他の方法により添加剤を除去し、その後焼結を行うことが好ましい。
【００５８】
本明細書中において「比重量」は、得られるチタン繊維三次元構造焼結体の単位体積当たりのチタン系繊維の重量を示す。比重量は、好ましくは所望の空隙率が得られる量、より好ましくは０．２３〜２．７１ｇ／ｃｍ３の範囲とする。
【００５９】
焼結を行うための焼結炉は、いかなるものを用いても良い。焼結炉の加熱方式は、特に限定されないが、種々の発熱体による電気加熱方式、ガス加熱方式、通電加熱方式、誘電加熱方式を含む。発熱体は、特に限定されないが、ニクロム、カンタル、ＳｉＣ、カンタルスーパ、モリブデンヒータ、タングステンメッシュヒータを用いることが好ましい。
【００６０】
焼結工程における諸条件は、特に限定されないが、好ましくは下記の通りに行う。
【００６１】
焼結炉内は、真空または不活性ガスの雰囲気とすることが好ましい。チタンは活性な金属であるため、昇温時に炭素や酸素をピックアップしやすい。チタン中に炭素および酸素が侵入すると安定な酸化物あるいは炭化物が生成されて材料が脆化する。このため焼結体の延性が損なわれ、破断伸びが減少し、引張強度も低下する。よって、炉内雰囲気の炭素存在量および酸素存在量は可能な限り抑える必要があり、具体的には炉内を真空または不活性ガスの雰囲気とすることが好ましい。真空下で焼結を行う場合、好ましくは炉の内圧を１０−１〜１０−５Ｐａの範囲とする。不活性ガスの雰囲気下で焼結を行う場合、不活性ガスは、窒素、アルゴン、ヘリウムまたはこれらのうちの２つ以上を含むガス等を用いることが可能であるが、これらに限られるものではない。
【００６２】
なお、焼結雰囲気は、真空または不活性ガスであることが好ましいが、酸化防止用のパック材でワークを被覆すれば、低真空であっても焼結可能である。ちなみに、パック材にはワークの酸素ピックアップを防止するために窒化ボロン（ＢＮ）粉末を用いることが好ましい。
【００６３】
焼結温度は、９００℃〜１３００℃の範囲とすることが好ましい。焼結温度が９００℃未満では、焼結が十分に進まないことがあり、強度不足となる恐れがある。一方、焼結温度が１３００℃を超すと、チタン系繊維組織の結晶粒が粗大化する恐れがあるばかりでなく、酸素ピックアップ量が過剰になり強度が低下する恐れもある。よって、焼結温度は、好ましくは９００℃〜１３００℃、より好ましくは９００〜１１００℃の範囲とする。
【００６４】
また、昇温速度は、特に限定されないが、好ましくは２〜１０℃／分の範囲とする。冷却速度は、特に限定されないが、好ましくは１〜５℃／分の範囲とする。
【００６５】
さらに、目的の焼結温度より低い第１の温度まで昇温し、この第１の温度を所定の時間保持し、次に目的の焼結温度より低く第１の温度よりも高い第２の温度まで昇温し、この第２の温度を所定の時間保持し、引き続き目的の焼結温度まで昇温し、この焼結温度を所定の時間保持するステップヒーティングにより昇温することも可能である。ステップヒーティングにおいて、第１の温度を保持した後に直接焼結温度に昇温することも可能であるし、第２の温度の保持後、焼結温度に昇温する前に、第２の温度よりも高く、焼結温度よりも低い第３、第４の温度に昇温し、この温度を保持することも可能であるが、これらに限られるものではない。
【００６６】
焼結温度を保持する時間は、特に限定されないが、好ましくは１０〜６０分間の範囲とする。保持時間が１０分間未満であると、焼結が十分に進まない恐れがある。一方、保持時間が６０分間を超えると、チタン系繊維組織の結晶粒が粗大化する恐れがあるばかりでなく、焼結体の酸素ピックアップ量が過剰になり強度が低下する恐れがある。よって、保持時間は、好ましくは１０〜６０分間の範囲、より好ましくは２０〜４０分間の範囲とする。
【００６７】
焼結後、さらに圧延加工することにより焼結体の形状および大きさを変えることも可能である。
【００６８】
なお、再生医療または人工歯根に用いる場合、焼結ままの表面状態で使用しても良いが、表面処理するようにしても良い。例えば、得られた焼結体に樹脂コーティングを施すようにしても良いし、得られた焼結体の表面を研磨するようにしても良い。
【００６９】
以下、本発明に係る成形工程および焼結工程の好ましい実施の形態の一例について図１の（ａ）〜（ｄ）および図２を参照して説明する。
【００７０】
図１の（ａ）に示すように、焼結炉内に台座１を設置し、この台座１に形成された丸穴２に、耐熱性ロッド３を挿入する。図１の（ｂ）に示すように、中空部４ａにロッド３が挿入されるようにロッド３にシリンダ４を被せる。図１の（ｃ）に示すように、ロッド３とシリンダ４とで規定されたスペースに所定の比重量のチタン繊維５を充填する。図１の（ｄ）に示すように、さらに上方から寸法調整用のロッド６をシリンダ中空部４ａに挿入する。
【００７１】
次いで、図２に示すように、加圧ブロック７を所定ストローク量だけ下降させ、下面に形成された丸穴８にロッド６の上端部を挿入させる。加圧無負荷の状態で、真空熱処理炉内を所定の真空度に排気する。真空排気後、加圧ブロック７にプレス装置（図示せず）からチタン繊維５に所定の押圧力を印加すると共に、炉温を上昇させて焼結を行う。これにより所望のチタン繊維三次元構造焼結体を得る。
【００７２】
上記好ましい態様の成形・加圧工程における台座、丸穴、ロッド、シリンダ、寸法調整用のロッドおよび加圧ブロックの数、大きさおよび形状は、特に限定されない。また、台座、丸穴、ロッド、シリンダ、寸法調整用のロッドおよび加圧ブロックは、特に限定されないが、高融点を有し、チタンおよびチタン合金と反応性のない材質、例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ等の高融点金属材料、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、サイアロン等のセラミックス材料を用いることが好ましい。
【００７３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１〜１５を参照して実施例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７４】
実施例１
（１）チタン繊維の製造
原料として純チタン薄板（ＪＩＳ規格第１種ＴＲ２７０Ｃ）およびステンレス鋼薄板（ＳＵＳ３０４）をそれぞれ用いて水溶性樹脂被覆コイル材切削法により表１に示す試料１−１、１−２、１−３の３種類のチタン繊維と比較例試料２としてステンレス鋼繊維を製造した。水溶性樹脂被覆コイル材切削法について図４を参照して以下に説明する。
【００７５】
チタン薄板材を渦巻状に捲回したコイル材１３をコーティング装置１１の巻芯１２に装着した。コーティングロール１５を回転駆動させ、このチタンコイル材１３をガイドロール１４とコーティングロール１５との間を通過するようにコイル材１３を送給した。コーティングロール１５の下部は、槽１６内の水溶性樹脂液１７に浸漬されており、このコーティングロール１５とロール１４の間にコイル材１３を通過させ、コイル材１３の片面に所定厚さの水溶性樹脂液を塗布した（工程Ｓ１）。
【００７６】
引き続き、塗布された水溶性樹脂液をヒータ１８により加熱乾燥させ、片面に水溶性樹脂コーティングされたコイル材１９をドラム２０に巻き取った（工程Ｓ２）。
【００７７】
次に、切削装置２１の巻芯２２に樹脂コーティングコイル材１９を装着し、ガイドレール（図示せず）に可動に支持された刃物台２３を矢印方向に移動させ、刃物台２３に装着された切削刃２４をコイル材１９の端面２５に当接させると共に、コイル材１９を矢印方向にモータ（図示せず）により回転駆動させ、この回転に従ってコイル材１９の端面２５を切削刃２４で切削し、複合繊維２６を得た（工程Ｓ３）。
【００７８】
引き続き、複合繊維２６をガイドロール３２により洗浄装置３１の水槽３３に案内した。水槽３３内には７５〜９０℃の温水３４が収容されている。複合繊維２６を温水３４に浸漬通過させることにより複合繊維２６から水溶性樹脂を溶解除去した（工程Ｓ４）。
【００７９】
さらに、乾燥装置（図示せず）により複合繊維３６を加熱乾燥させ、ドラム３５に巻き取った（工程Ｓ５）。
【００８０】
このようにして３種の純チタン繊維試料１−１、１−２、１−３を得た。このときのチタン薄板の板厚（ｍｍ）、切削刃とコイル材の回転軸とのなす角を示すすくい角（°）、切削刃の送り量（μｍ／ｒｅｖ）を表１に示す。また、得られたチタン繊維の換算繊維直径（μｍ）を表１に併記する。なお、チタン繊維の換算繊維直径は、チタン繊維の断面を顕微鏡で確認して直接測定した。同一の切削条件において製造した繊維に関しては、同じ換算繊維直径を有するものとした。
【００８１】
【表１】
2004018951.tif 000003
【００８２】
（２）チタン繊維円柱焼結体の製造
表１の試料１−２および１−３のチタン繊維を用いて以下に説明する方法によりチタン繊維円柱焼結体を製造した。
【００８３】
図１の（ａ）に示すように、焼結炉内にアルミナ台座１を設置し、この台座１に形成された内径６ｍｍ（プラス公差）の丸穴２に、直径６ｍｍ（マイナス公差）のアルミナロッド３を挿入した。図１の（ｂ）に示すように、ロッド３に内径６ｍｍ（プラス公差）のアルミナシリンダ４を被せた。図１の（ｃ）に示すように、シリンダ中空部４ａに所定長に切断したチタン繊維５を比重量０．４５ｇ／ｃｍ３となるように充填した。図１の（ｄ）に示すように、さらに寸法調整用のアルミナロッド６をシリンダ中空部４ａに上方から挿入した。
【００８４】
次いで、図２に示すように、台座１と実質的に同一形状のアルミナ加圧ブロック７を所定ストローク量だけ下降させ、下面に形成された丸穴８にロッド６の上端部を挿入させる。加圧無負荷の状態で、真空熱処理炉内を１０−４Ｐａになるまで真空排気した。加圧ブロック７を圧縮装置（図示せず）により上から１０ｋＰａの圧力でプレス加圧することによってチタン繊維を円柱状に成形すると共に、炉内を昇温して焼結を行い、高さ８ｍｍ、直径６ｍｍの大きさのチタン繊維円柱焼結体を製造した。焼結時の昇温は、以下のように行った。
【００８５】
（ステップ１）炉内温度を１時間で４５０℃まで上げて３０分間保持し、
（ステップ２）１時間で９００℃まで上げて３０分間保持し、
（ステップ３）１時間で１１００℃まで上げて３０分間保持し、
（ステップ４）その後、３時間で６００℃まで下げて炉内が８０℃以下になったらチタン焼結体を炉から出した。
【００８６】
このときの焼結温度の昇温曲線を図３に示す。
【００８７】
得られたチタン繊維焼結体の質量を測定し、空隙率を（２）より求めた。なお、純チタンの密度はρ＝４．５（ｇ／ｃｍ３）を用いた。
【００８８】
（３）他の焼結体の製造
（例１２１）
びびり振動切削法により、以下のような手順でチタン繊維を製造した。
【００８９】
切削装置の巻芯に中空円柱状チタン材を装着し、ガイドレールに可動に支持された刃物台を移動させ、刃物台に装着された弾性切削工具を自励振動によってチタン材の端面に接触させると共に、チタン材をモータで回転駆動させ、この回転に従ってチタン材の端面を弾性切削工具で切削し、チタン短繊維を得た。
【００９０】
繊維長さ２．５ｍｍ、換算繊維直径５０μｍの繊維断面がほぼ三角形状を呈したチタン短繊維が得られた。
【００９１】
得られた短繊維を用いて試料１−２、１−３と同様にチタン繊維円柱焼結体を製造した。
【００９２】
（例１２２）
集束伸線法により、以下のような手順でチタン繊維を製造した。
【００９３】
純チタン製の線材を用意し、この線材より僅かに細い超硬合金ダイスに通してダイスの出口側で引っ張り、線径を細くした。この工程を換算繊維直径５００μｍのチタン素線が得られるまで繰り返した。このようにして得られた素線を銅で被覆し、多数本を束にして軟質の金属材料からなる外装材で包み、前述のように引き抜き加工した。この工程を複数回繰り返した後、適当な線径になった線束をさらに複数本に束ね、外装材で包み、同様の方法で引き抜き加工した。その後、素線を被覆している銅を化学処理により除去した。得られたチタン繊維の換算繊維直径は、３０μｍであった。
【００９４】
得られたチタン繊維を用いて、試料１−２、１−３と同様にチタン繊維円柱焼結体を製造した。
【００９５】
（例１２３）
試料１−２のチタン繊維を用いて、積層法により以下のような手順で成形体を形成した。
【００９６】
速度比の僅かに異なる複数組のロールの間を通過するよう複数本のチタン繊維を送給した。このロールを回転駆動させ、通過するチタン繊維を部分的に切断し、ロールの最下流に位置する高速回転の切断ロールで完全に切断開繊した後、エアーでコンベアー上に飛散させ、無配向に積み重ねて、比重量０．４５ｇ／ｃｍ３の不織布シートとした。この不織布シートをセパレーションメッシュに挟み込み、これを数段に重ねて炉内で試料１−２、１−３と同様の焼結条件で加圧焼結した。セパレーションメッシュは、細かい網目状の耐熱性合金製の板であり、ここではニッケル、クロム、モリブデン系合金のセパレーションメッシュを用いた。
【００９７】
得られたシート状焼結体を円盤状に切断し、積み重ねて円柱状とした。この円柱状成形体を試料１−２、１−３と同様の焼結条件で焼結しチタン繊維円柱焼結体を製造した。
【００９８】
（比較例１２４）
比較例としてチタン粉末焼結体を製造した。平均粒径２５μｍの純チタン粉末に温水に寒天および防腐剤を溶解したものをバインダーとして加え、混練し、これを射出成形して、乾燥した。乾燥後、１Ｐａで４００℃まで昇温し、脱バインダーした後、真空処理炉内の圧力０．１Ｐａ、焼結温度１２００℃、保持時間３０分で焼結することによりチタン粉末焼結体を得た。
【００９９】
（４）評価
試料１−２のチタン繊維円柱焼結体の外観写真を図５に示す。さらに、図６には図５のチタン繊維円柱焼結体の組織を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で倍率２０００倍に拡大して示す。
【０１００】
図５から明らかなように、上記の製造方法で良好な形状の焼結体が得られることが確認された。また、図６から明らかなように、焼結によりチタン繊維の表面の一部（特に凸部）が溶融して繊維が相互に接合していることが確認された。得られたチタン繊維円柱焼結体は、試料１−２では質量が０．１５ｇ、空隙率が８５％であった。また、試料１−３では質量が０．１０ｇ、空隙率が９０％であった。
【０１０１】
例１２１のチタン繊維円柱焼結体は、空隙率が６０％であった。
【０１０２】
例１２２のチタン繊維円柱焼結体は、空隙率が８０％であった。
【０１０３】
例１２３のチタン繊維円柱焼結体は、空隙率が８０％であった。
【０１０４】
比較例１２４のチタン粉末焼結体は、空隙率が１１％であった。
【０１０５】
実施例２
試料１−１および１−２のチタン繊維を用いて、実施例１と同様の方法で種々の焼結条件の下、チタン繊維焼結体を製造した。表２に試料１−１のチタン繊維を焼結したときの焼結条件である焼結温度（℃）、焼結温度の保持時間（分）、加圧力（ｋＰａ）および目付量（ｇ／ｃｍ２）を示し、同様に表３に試料１−２のチタン繊維を焼結したときの焼結条件および目付量（ｇ／ｃｍ２）を示す。なお、表２〜３中には、型枠に対するチタン繊維の充填量を目付量Ｗｔ（ｇ／ｃｍ２）で表示したが、これをチタン繊維焼結体の単位体積当たりの重量としての比重量（ｇ／ｃｍ３）に換算して用いることができる。このときの炉内の昇温は、焼結温度が９００℃の場合は、ステップ１の後、９００℃まで昇温して、この温度を所定の時間保持し（ステップ２）、続いてステップ４に移ることにより行い、焼結温度が９５０℃、１０００℃、１０５０℃、１１００℃の場合は、ステップ１、２の後、目的の温度まで昇温して、この温度を所定の時間保持し（ステップ３）、続いてステップ４に移ることにより行った。また、得られた円柱状チタン繊維焼結体の縦、横の寸法（ｃｍ）、焼結体の厚さ（ｍｍ）および質量（ｇ）をそれぞれ表２および表３に併記する。さらに、式（２）より各空隙率を求め、この結果をそれぞれ表２および表３に併記する。なお、純チタンの密度はρ＝４．５（ｇ／ｃｍ３）を用いた。
【０１０６】
【表２−１】
2004018951.tif 000004
【０１０７】
【表２−２】
2004018951.tif 000005
【０１０８】
【表３−１】
2004018951.tif 000006
【０１０９】
【表３−２】
2004018951.tif 000007
【０１１０】
表２および表３に示した例１〜１２０のチタン繊維焼結体の測定結果を図７〜図１０にまとめた。
【０１１１】
＜焼結温度と空隙率の関係＞
図７は、焼結時の加圧力を変えたときの焼結温度（℃）と空隙率（％）との関係を示す特性線図である。換算繊維直径：４６μｍ、焼結保持時間：３０分の一定条件の下、加圧力を５ｋＰａ、１０ｋＰａと変え、さらに目付量を５００、１０００、１５００ｇ／ｍ２とそれぞれ変化させた。図７中の白丸は、例１、１３、２５、３７、４９を、白三角は、例２、１４、２６、３８、５０を、白四角は、例３、１５、２７、３９、５１を、黒丸は、例４、１６、２８、４０、５２を、黒三角は、例５、１７、２９、４１、５３を、黒四角は、例６、１８、３０、４２、５４をそれぞれ示す。
【０１１２】
チタン繊維の焼結は、９００℃から始まった。目付量５００、１０００、１５００ｇ／ｃｍ２のいずれにおいても焼結温度の上昇と共に空隙率も低下することが確認された。これは、温度が上昇したことでチタン繊維同士の接触部分での溶融が拡大し、より強固に接合されるため接触部の焼結体の厚さが小さくなり、空隙率が低下したものであると考えられる。また、加圧力を大きくすることにより空隙率が低下することが確認された。これは、加圧力の増大によりチタン繊維がより強く圧縮されるため、空隙率が低下したものであると考えられる。
【０１１３】
図８は、焼結保持時間を変えたときの焼結温度（℃）と空隙率（％）との関係を示す特性線図である。換算繊維直径：４６μｍ、加圧力：５ｋＰａの一定条件の下、焼結保持時間を３０分、６０分と変え、目付量を５００、１０００、１５００ｇ／ｍ２とそれぞれ変化させた。図８中の白丸は、例１、１３、２５、３７、４９を、白三角は、例２、１４、２６、３８、５０を、白四角は、例３、１５、２７、３９、５１を、黒丸は、例７、１９、３１、４３、５５を、黒三角は、例８、２０、３２、４４、５６を、黒四角は、例９、２１、３３、４５、５７をそれぞれ示す。
【０１１４】
焼結温度が９００℃〜９５０℃では、焼結温度の保持時間を変えても空隙率の変化はほとんど見られなかった。一方、焼結温度が９５０℃を超えると、保持時間を長くした場合に空隙率が低下することが確認された。これは、保持時間が長くなると繊維同士の接触部分での溶融が拡大し、焼結が進行し、より強固に接合されることにより接合部の焼結体の厚さが小さくなり、空隙率が低下したものであると考えられる。
【０１１５】
＜焼結温度と焼結体厚さの関係＞
図９は、焼結時の加圧力を変えたときの焼結温度（℃）と焼結体の厚さ（ｍｍ）との関係を示す特性線図である。換算繊維直径：４６μｍ、焼結保持時間：６０分の一定条件の下、加圧力を５ｋＰａ、１０ｋＰａと変え、目付量を５００、１０００、１５００ｇ／ｃｍ２とそれぞれ変化させた。図９中の白丸は、例７、１９、３１、４３、５５を、白三角は、例８、２０、３２、４４、５６を、白四角は、例９、２１、３３、４５、５７を、黒丸は、例１０、２２、３４、４６、５８を、黒三角は、例１１、２３、３５、４７、５９を、黒四角は、例１２、２４、３６、４８、６０をそれぞれ示す。
【０１１６】
図９より、目付量５００、１０００、１５００ｇ／ｃｍ２のいずれにおいても加圧力が大きくなるに従い、焼結体の厚さが小さくなることが確認された。これは、加圧力の増加によって、チタン繊維焼結体がより圧縮されるために厚さが小さくなったものと考えられる。また、目付量が増加するに従い厚さも上昇することが確認された。
【０１１７】
図１０は、焼結保持時間を変えたときの焼結温度（℃）と焼結体の厚さ（ｍｍ）との関係を示す特性線図である。換算繊維直径：４６μｍ、加圧力：５ｋＰａの一定条件の下、焼結保持時間を３０分、６０分と変え、目付量を５００、１０００、１５００ｇ／ｃｍ２とそれぞれ変化させた。図１０中の白丸は、例１、１３、２５、３７、４９を、白三角は、例２、１４、２６、３８、５０を、白四角は、例３、１５、２７、３９、５１を、黒丸は、例７、１９、３１、４３、５５を、黒三角は、例８、２０、３２、４４、５６を、黒四角は、例９、２１、３３、４５、５７をそれぞれ示す。
【０１１８】
図１０より、目付量５００、１０００、１５００ｇ／ｃｍ２のいずれにおいても焼結温度の上昇と共に焼結体の厚さも低下することが確認された。これは、温度が上昇した事でチタン繊維同士の接触部分での溶融が進行し、接触部分の厚さが小さくなったためであると考えられる。また、目付量が増加するに従い厚さも上昇することが確認された。
【０１１９】
実施例３
表２と表３に示す例１〜１２０のチタン繊維焼結体を用いて、引張試験を行った。チタン繊維焼結体をＪＩＳ　Ｚ　２５５０に規定された試験片の型に打ち抜き、この引張試験片の引張強度を万能圧縮引張試験機により測定した。測定結果を図１１〜図１５にまとめた。
【０１２０】
（比較例１２３）
供試材としてステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用い、実施例１と同様にステンレス鋼繊維を製造し、このステンレス鋼繊維からステンレス鋼繊維焼結体を製造した。このときのステンレス鋼の板厚（ｍｍ）、すくい角（°）、送り量（μｍ／ｒｅｖ）および得られたステンレス繊維の換算繊維直径（μｍ）を表１に併記する。得られたステンレス鋼繊維焼結体についても同様の引張試験を行った。測定結果を図１４に示した。
【０１２１】
＜焼結温度と引張強度の関係＞
図１１は、焼結時の加圧力を変えたときの焼結温度（℃）と引張強度（ＭＰａ）との関係を示す特性線図である。換算繊維直径：４６μｍ、焼結保持時間：３０分の一定条件の下、加圧力を５ｋＰａ、１０ｋＰａと変え、目付量を５００、１０００、１５００ｇ／ｃｍ２とそれぞれ変化させた。図１１中の白丸は、例１、１３、２５、３７、４９を、白三角は、例２、１４、２６、３８、５０を、白四角は、例３、１５、２７、３９、５１を、黒丸は、例４、１６、２８、４０、５２を、黒三角は、例５、１７、２９、４１、５３を、黒四角は、例６、１８、３０、４２、５４をそれぞれ示す。
【０１２２】
図１１に示すように、焼結温度の上昇と共に引張強度は増加するが、焼結温度が１０５０℃を超えると、１０５０℃以下に比べて、強度上昇が劣ることが確認された。これは、１０５０℃を超える温度域では焼結が進行せず、チタン繊維での焼結粒の発達により繊維強度が若干低下したためであると考えられる。また、加圧力が大きく、目付量の大きいものほど高い強度を得ることが確認された。これは、加圧力の上昇によって、チタン繊維同士の単位面積あたりの接触面積が増加した状態で焼結が進行したためであると考えられる。また、一般に純チタンの引張強度は２８０〜６００ＭＰａの範囲であり、特に今回の実験に用いた材料ＴＲ２７０Ｃの引張強度は、約２９６ＭＰａである。得られたチタン繊維焼結体の引張強度は、空隙率７５％程度において約２５ＭＰａであり、融点以下でチタン繊維同士を接合したものとしては、有意な値を示すことが確認された。
【０１２３】
図１２は、焼結保持時間を変えたときの焼結温度（℃）と引張強度（ＭＰａ）との関係を示した特性線図である。換算繊維直径：４６μｍ、加圧力：５ｋＰａの一定条件の下、焼結保持時間を３０分、６０分と変え、目付量を５００、１０００、１５００ｇ／ｃｍ２とそれぞれ変化させた。図１２中の白丸は、例１、１３、２５、３７、４９を、白三角は、例２、１４、２６、３８、５０を、白四角は、例３、１５、２７、３９、５１を、黒丸は、例７、１９、３１、４３、５５を、黒三角は、例８、２０、３２、４４、５６を、黒四角は、例９、２１、３３、４５、５７をそれぞれ示す。
【０１２４】
図１２より、同じ目付量で製造されたチタン繊維焼結体で比較すると、焼結温度の保持時間を長くするに従い、引張強度が大きくなることが確認された。これは、保持時間が長くなることによりチタン繊維同士の接触部において溶融状態となる部分が拡大し焼結が進行し、引張強度が上昇したためであると考えられる。
【０１２５】
図１３は、チタン繊維の換算繊維直径を変えたときの焼結温度（℃）と引張強度（ＭＰａ）との関係を示す特性線図である。焼結保持時間：３０分、加圧力：５ｋＰａの一定条件の下、換算繊維直径を４６μｍ、５８μｍと変え、目付量を５００、１０００、１５００ｇ／ｃｍ２とそれぞれ変化させた。図１３中の白丸は、例１、１３、２５、３７、４９を、白三角は、例２、１４、２６、３８、５０を、白四角は、例３、１５、２７、３９、５１を、黒丸は、例６１、７３、８５、９７、１０９を、黒三角は、例６２、７４、８６、９８、１１０を、黒四角は、例６３、７５、８７、９９、１１１をそれぞれ示す。
【０１２６】
図１３より、換算繊維直径の相違による焼結体の引張強度の差は、明確には確認されなかった。
【０１２７】
図１４は、チタン繊維とステンレス鋼繊維とを比較して焼結温度（℃）と引張強度（ＭＰａ）との関係を示す特性線図である。換算チタン繊維直径：４６μｍ、換算ステンレス鋼繊維直径：４７μｍを用い、焼結保持時間：３０分、加圧力：１０ｋＰａの一定条件の下、目付量を５００、１５００ｇ／ｃｍ２とそれぞれ変化させた。図１４中の白丸は、例４、１６、２８、４０、５２を、白四角は、例６、１８、３０、４２、５４を、黒丸および黒四角は、比較例のステンレス鋼繊維焼結体をそれぞれ示す。
【０１２８】
チタン繊維の焼結は、９００℃で開始されるのに対して、ステンレス鋼繊維の焼結は、９５０℃で開始された。これは、ステンレス鋼には表面にクロム（Ｃｒ２Ｏ３）や鉄（ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４）の酸化被膜が生成されているために、これらの酸化物が焼結進行を妨げるからである。さらに、ステンレス鋼の融点は、１３９８〜１４５４℃で、チタンの融点１６６８℃よりも低い。このことから焼結が開始される温度については素材の融点は関係性を持たないことが確認された。また、図１４よりチタン繊維の方が引張強度が大きいことが確認された。ステンレス鋼の引張強度は、１０２３ＭＰａであるのに対して、チタンの引張強度は約２９６ＭＰａである。チタン繊維焼結体の方がステンレス鋼繊維焼結体の引張強度よりも大きくなったのは、ステンレス鋼繊維は温度の上昇と共に結晶粒の粗大化が始まることと、粒界にクロム炭化物が析出し始めるのに対し、チタン繊維はこのような現象が起こりにくいためであると考えられる。
【０１２９】
＜空隙率と引張強度の関係＞
図１５は、目付量を変えたときので得られた焼結体の空隙率（％）と引張強度（ＭＰａ）との関係を示した特性線図である。換算繊維直径：４６μｍ、加圧力：５ｋＰａ、焼結保持時間：３０分の一定条件の下、目付量を５００、１０００、１５００ｇ／ｃｍ２とそれぞれ変化させた。図１５中の白丸は、例１、１３、２５、３７、４９を、白三角は、例２、１４、２６、３８、５０を、白四角は、例３、１５、２７、３９、５１をそれぞれ示す。
【０１３０】
図１５より、目付量に関係なく、空隙率が低下すれば引張強度は上昇することが確認された。
【０１３１】
図１５に示されるように、チタン繊維焼結体は空隙率７５％程度で約２８ＭＰａの高い引張強度を有する。一方、骨再生の足場として従来用いられているハイドロキシアパタイトや生体吸収性セラミックであるβ−ＴＣＰなどの人工材料に幹細胞を加えた複合体は、チタン繊維焼結体と比べ強度が低い。このため、β−ＴＣＰ製足場を用いた場合、骨芽細胞の働きにより上記人工材料が生体骨の強度レベルに達するまでの治癒期間は長期に渡った。また、ハイドロキシアパタイト製足場では、生体骨の硬度に達することが期待できなかった。しかし、本発明のチタン繊維焼結体を骨再生のための足場として用いた場合、図１１から図１５に示すように十分な強度を有するため治癒期間を短縮することが可能となる。
【０１３２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に従えば、再生医療、歯科治療、電気機器、および空調機器に利用可能な高い空隙率を有するチタン繊維三次元構造焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法を説明するために焼結炉内の要部をそれぞれ模式的に示す工程図。
【図２】本発明のチタン繊維三次元構造焼結体の製造方法を説明するために焼結炉内の要部を模式的に示す斜視図。
【図３】本発明の実施例に係るチタン繊維三次元構造焼結体を焼結する時の熱履歴線図。
【図４】コイル切削法を説明するために製造装置の要部をそれぞれ模式的に示す工程図。
【図５】本発明の実施例に係るチタン繊維三次元構造焼結体を示す外観写真。
【図６】本発明の実施例に係るチタン繊維三次元構造焼結体の繊維接合部拡大して示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真。
【図７】チタン繊維（三次元構造）焼結体の焼結温度、空隙率、加圧力の関係を示す特性線図。
【図８】チタン繊維（三次元構造）焼結体の焼結温度、加熱保持時間、空隙率の関係を示すの特性線図。
【図９】チタン繊維（三次元構造）焼結体の焼結温度、加圧力、焼結体の厚さの関係を示す特性線図。
【図１０】チタン繊維（三次元構造）焼結体の焼結温度、加熱保持時間、焼結体の厚さの関係を示す特性線図。
【図１１】チタン繊維（三次元構造）焼結体の焼結温度、加圧力、引張強度の関係を示す特性線図。
【図１２】チタン繊維（三次元構造）焼結体の焼結温度、加熱保持時間、引張強度の関係を示す特性線図。
【図１３】チタン繊維（三次元構造）焼結体の焼結温度、換算繊維直径、引張強度の関係を示す特性線図。
【図１４】チタン繊維（三次元構造）焼結体（実施例）とステンレス鋼繊維焼結体（比較例）の焼結温度と引張強度の関係を示す特性線図。
【図１５】チタン繊維（三次元構造）焼結体の空隙率と引張強度の関係を示す特性線図。
【符号の説明】
１…台座
２…丸穴
３…下ロッド
４…シリンダ
４ａ…シリンダ中空部
５…繊維
６…上ロッド
７…加圧ブロック
８…丸穴
１１…コーティング装置
１２…巻芯
１３…コイル材
１４…ガイドロール
１５…コーティングロール
１６…槽
１７…水溶性樹脂液
１８…ヒータ
１９…樹脂コーティングコイル材
２０…ドラム
２１…切削装置
２２…巻芯
２３…刃物台
２４…切削刃
２５…端面
２６…複合繊維
３１…洗浄装置
３２…ガイドロール
３３…水槽
３４…温水
３５…ドラム
３６…チタン繊維
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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