(57)【要約】【課題】特定方向に優れた機械的特性を示す異方性複合材料を提供する。【解決手段】本発明の異方性複合材料は、金属からなるマトリックス中に強化材が分散した複合材料であって、前記強化材は、一次元的または二次元的に配向した強化繊維からなることを特徴とする。強化繊維が特定方向に配向することで、その方向に沿ったクリープ特性等が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなるマトリックス中に強化材が分散した複合材料であって、
前記強化材は、一次元的または二次元的に配向した強化繊維からなることを特徴とする異方性複合材料。
【請求項２】
前記強化繊維は、繊維径が０．１〜２０μｍで繊維長が１０〜１０００μｍである請求項１に記載の異方性複合材料。
【請求項３】
前記強化繊維は、全体１００体積％に対する体積含有率（Ｖｆ）が４〜５０体積％である請求項２に記載の異方性複合材料。
【請求項４】
前記強化材は、さらに、粒径が１〜２０μｍの強化粒子を含む請求項１に記載の異方性複合材料。
【請求項５】
前記強化粒子は、全体１００体積％に対するＶｆが１〜３０体積％である請求項４に記載の異方性複合材料。
【請求項６】
前記マトリックスは、マグネシウム（Ｍｇ）を主成分とする請求項１に記載の異方性複合材料。
【請求項７】
前記強化材は、セラミックスまたは炭素からなる請求項１に記載の異方性複合材料。
【請求項８】
強化繊維からなる強化材を成形型内に充填した後に吸引成形または加圧成形により該強化繊維が一次元的または二次元的に配向したプリフォームを成形する成形工程と、
該プリフォームを配置した鋳型内へマトリックスとなる金属溶湯を加圧注湯して該プリフォーム中に該金属溶湯を含浸させる含浸工程と、
を備えることを特徴とする異方性複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強化繊維が特定方向に配向した異方性複合材料およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料の短所を補強すべく、従来から種々の金属基複合材料が使用されている。例えば、ＡｌやＭｇ等の軽金属からなるマトリックスに、セラミックス粒子やセラミックス繊維等の強化材を分散させて、軽量化と共に高強度化等を図った複合材料がある。このような複合材料を開示したものとして、下記の特許文献等を挙げることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−３６７４５号公報
【特許文献２】
特開平１−２４２７３９号公報
【特許文献３】
特開平２−１９４１３４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献等に開示された複合材料は、マトリックス中に強化材がほぼ均一に分散したものであって、等方的な特性を示すものである。ところが、複合材料を現実の製品に適用する場合、等方的な特性向上は必ずしも求められず、むしろ、特定方向で特性が向上すれば十分な場合が多い。
この観点からすると、従来の複合材料は、機械的特性等が等方的に向上されていたために、いわば無駄が多く、また、強化材による補強効果が四方八方に分散されて、結果的に十分な補強効果が達成されていなかった。
勿論、強化材の含有量を増加させることで、複合材料の特性を全体的に向上させ得るが、現実問題としてその含有量には限度がある。また、その含有量が増える程、複合材料のコストも上昇し、複合材料の靱性等も失われるため好ましくない。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。すなわち、含有させた強化材を有効に利用して、特定方向で機械的特性等を大きく向上させた異方性複合材料を提供することを目的とする。また、その異方性複合材料が比較的容易に得られる製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、強化繊維を特定方向に配向させることに成功し、その方向で従来の複合材料を超える機械的特性等が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
（異方性複合材料）
すなわち、本発明の異方性複合材料は、金属からなるマトリックス中に強化材が分散した複合材料であって、前記強化材は、一次元的または二次元的に配向した強化繊維からなることを特徴とする。
【０００７】
従来の複合材料の場合、強化繊維が三次元的に分散していたため、強化繊維による機械的特性等の補強効果は等方的であった。その結果、従来の複合材料は強化材による補強効果が分散した状態となっており、本当に必要となる方向で十分な補強効果が得られていなかった。
これに対して、本発明の異方性複合材料の場合、強化繊維が一次元的または二次元的に配向しているため、その強化繊維の配向に沿った方向で、複合材料の強度、剛性（ヤング率）、耐クリープ性等の機械的特性が十分に補強されることとなった。しかも、上記強化繊維の配向により、ほぼ全ての強化繊維等が有効に活用されて、無駄なく、所望の機械的特性の向上が図れることとなった。
【０００８】
（異方性複合材料の製造方法）
上記異方性複合材料は、例えば、次のような本発明の製造方法により製造される。
すなわち、本発明の異方性複合材料の製造方法は、強化繊維からなる強化材を成形型内に充填した後に吸引成形または加圧成形により該強化繊維が一次元的または二次元的に配向したプリフォームを成形する成形工程と、該プリフォームを配置した鋳型内へマトリックスとなる金属溶湯を加圧注湯して該プリフォーム中に該金属溶湯を含浸させる含浸工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。なお、以下に説明する内容は、本発明の異方性複合材料およびその製造方法の両方に適宜該当することである。
（１）強化材
本発明の場合、複合材料の異方的な補強を可能とするために、強化材として強化繊維が必須である。強化繊維が特定方向に配向している限り、強化繊維の種類、繊維径、繊維長は問わない。
但し、本発明の製造方法によって、強化繊維が特定方向へ配向した異方性複合材料を容易に製造するために、強化繊維は、繊維長が１０〜１０００μｍ、さらには３０〜２００μｍであると好ましい。このように、繊維長が比較的長い強化繊維を成形型内に充填し、それを吸引成形または加圧成形すると、自然と強化繊維を一次元的または二次元的に配向させることができる。この際、併せてプリフォームを成形すると、取扱性が向上して複合材料の製造が一層容易となる。
【００１０】
ところで、上記のような強化繊維の挙動は、強化繊維全体としての形状に左右されると思われる。つまり、強化繊維が細長い形状である場合に、強化繊維が一次元的または二次元的に配向したプリフォーム等が得られると考えられる。そこで上記繊維長のみならず、その繊維長に併せて、強化繊維の繊維径が０．１〜２０μｍ、さらには０．５〜１０μｍであると好ましい。
また、このような強化繊維の挙動は、強化繊維がある程度以上密集した状態で起り得る。そこで、複合材料全体を１００体積％として、強化繊維の体積含有率（Ｖｆ）が４〜５０体積％、さらには１０〜３０体積％となるようにすると好ましい。ここで、Ｖｆに上限を設けたのは、金属溶湯の含浸性や得られた複合材料の靱性等の極端な低下を生じさせないようにするためである。また、現実に、硬質な強化繊維等で高Ｖｆのプリフォームの製造も困難である。
【００１１】
強化材は、上記強化繊維のみに限らず、さらに、強化粒子を含有すると好ましい。強化粒子は、密集した強化繊維間に介在してコロのような役割を果し、強化繊維の一次元的または二次元的な配向を促進すると思われる。また、強化繊維および強化粒子を混在させた強化材を分散させた複合材料は、強化粒子が強化繊維の周囲に凝集して、強化繊維による補強効果を一層高め得る。このような強化粒子の機能を考えると、強化繊維の繊維径と同程度の粒径であると好ましい。そこで、強化材の粒径が１〜２０μｍ、さらには５〜１０μｍであると好適である。また、複合材料全体を１００体積％として、強化粒子のＶｆが１〜３０体積％、さらには５〜１０体積％であると好適である。
【００１２】
なお、強化繊維の上記繊維径および繊維長は、全て平均繊維径および平均繊維長である。また、強化粒子の粒径も平均粒径である。
上記強化繊維は、繊維長や生成方法によって、短繊維、長繊維、ウイスカ等の区別がなされるが、本発明の場合はいずれでも良い。また、その材質的にみれば、炭素繊維やセラミックス繊維等いずれでも良い。また、上記強化粒子も、製造方法によって粒形や粒度分布等が異なるがいずれを使用しても良い。材質的にはセラミックス粒子が一般的である。強化材として使用するセラミックスには、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3 、ＴｉＢ2 等がある
【００１３】
（２）マトリックス
マトリックスとなる金属は、純金属でも合金でも良く、その主成分はＦｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ等いずれでも良い。もっとも、マトリックスによる軽量化および強化材による機械的特性の強化を両立させる上で、マトリックスの主成分がＭｇであると好適である。
ところで、複合材料がＭｇ合金をマトリックスとする場合、従来の複合材料ではいずれも、その強度、特に高温特性が不十分であり、その使用範囲が限定的であった。本発明の複合材料の場合、従来の複合材料と異なり、強化材が特定方向に配向しているため、その方向での高温特性等が特に向上する。
【００１４】
そこで、例えば、自動車のエンジンルーム等の高温環境下（例えば、１５０℃以上）で使用される部材であっても、荷重の印加方向にさえ注意すれば、Ｍｇ合金をマトリックスとする本発明の複合材料を使用可能となる。
なお、このような高温特性は、高温強度や耐クリープ性等で評価できる。特に、自動車用部材のように高信頼性が求められる部材には、耐クリープ性による評価が重要となる。
【００１５】
（３）異方性複合材料の製造方法
本発明の製造方法は、前述したように、強化繊維からなるプリフォームの成形工程と、このプリフォーム中に金属溶湯を含浸させて鋳込む含浸工程とからなる。
【００１６】
成形工程は、成形型内に充填した強化繊維を吸引成形または加圧成形することで得られる。いずれの成形方法であっても、前述した比較的長めの強化繊維を使用すると、その強化繊維が一次元的または二次元的に配向したプリフォームが得られる。
【００１７】
プリフォームの形成を容易にし、また、その取扱性を高めるために、適量の結合剤（バインダ）を強化繊維や強化粒子に混在させると好ましい。このバインダには、例えば、シリカ系バインダ、アルミナ系バインダ等があるが、プリフォームの強度の点でシリカ系バインダが好ましい。
【００１８】
（４）異方性複合材料
本発明の異方性複合材料は、前述の自動車用以外に、宇宙、軍事、航空の分野を初めとして、家庭電気機器等各種分野で利用可能である。もっとも、その優れた機械的特性、特に高い耐熱性を生かして、高温環境下で使用される製品に好適である。例えば、自動車のエンジンルーム内に配置されるエンジン、トランスミッション、エアコン用コンプレッサまたはそれらの関連製品等である。
【００１９】
【実施例】
実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。
本発明の異方性複合材料として、Ｍｇ合金のマトリックス中に各種強化材が分散したＭｇ基複合材料を次のようにして製造した。
（プリフォームの製造）
強化材として、２種の強化繊維および２種の強化粒子を用意した。すなわち、用意した強化繊維は、▲１▼アルミナ （Ａｌ2Ｏ3・ＳｉＯ2）短繊維（サフィル社製、ＳＡＦＦＩＬ、平均繊維長２００μｍ、平均繊維径３μｍ）、▲２▼ホウ酸アルミニウム（９Ａｌ2Ｏ3・２Ｂ2Ｏ3）ウイスカ（四国化成工業株式会社製、アルボレックス、平均繊維長１０〜３０μｍ、平均繊維径０．５〜１μｍ）である。また、用意した強化粒子は、平均粒径が５μｍおよび１０μｍのＳｉＣ粒子（昭和電工株式会社製、グリーンデンシック）である。
これらの各強化繊維および各強化粒子を適宜用いて、２種のプリフォームを成形した。一つは、Ｍｇ基複合材料中で、アルミナ短繊維が２２体積％と粒径５μｍのＳｉＣ粒子が１０体積％分散されるようにしたプリフォームである（Ｎｏ．１）。もう一方は、Ｍｇ基複合材料中で、ホウ酸アルミニウムウイスカが２２体積％と粒径１０μｍのＳｉＣ粒子が１０体積％分散されるようにしたプリフォームである（Ｎｏ．２）。
【００２０】
この際、シリカ系バインダを３質量％の割合で、上記強化材に混合しておいた。そして、その強化材をφ１４０ｘ３５ｍｍの円柱状キャビティをもつ成形型中に充填した。そしてこの強化材を吸引成形法により、同円柱状に成形した（成形工程）。この後、焼成工程を行いバインダを硬化させてプリフォームを得た。
【００２１】
（Ｍｇ基複合材料の製造）
得られた上記の各種プリフォームをφ２００ｘ１５０ｍｍの円柱状キャビティをもつ金型（鋳型）中に配置した。そこへ、Ｍｇ合金（ＪＩＳ  ＡＳ２１Ｘ：Ｍｇ−２％Ａｌ−１％Ｓｉ−０．１２％Ｒ．Ｅ．（単位は質量％、Ｒ．Ｅ．は希土類元素））の溶湯（金属溶湯）を注湯して溶湯鍛造を行った。これにより、前記プリフォーム中にＭｇ合金溶湯の含浸した２種の円柱状のＭｇ基複合材料を得た（含浸工程）。この含浸工程の条件は、溶湯温度８００℃、型温２００〜３００℃、プリフォームの予熱８００℃、溶湯圧力１００ＭＰａとして、大気雰囲気で行った。
なお、前述のプリフォームＮｏ．１を使用したＭｇ基複合材料を試料Ｎｏ．１と、プリフォームＮｏ．２を使用したＭｇ基複合材料を試料Ｎｏ．２と以下では呼ぶ。
【００２２】
（Ｍｇ基複合材料の測定）
（１）クリープ特性
上記試料Ｎｏ．１およびＮｏ．２のＭｇ基複合材料から板状の試験片をそれぞれ２方向から切出した。一つは、Ｚ方向（図２参照）から切出した試験片Ｎｏ．１および試験片Ｎｏ．２である。もう一方は、それと垂直なＸＹ方向（図２参照）から切出した試験片Ｎｏ．１−２および試験片Ｎｏ．２−２である。また、参考として、強化材を分散させなかったＭｇ合金（ＡＳ２１Ｘ）のみからなる試験片も用意した。なお、試料Ｎｏ．と試験片Ｎｏ．とは対応させてある。
【００２３】
これらの各試験片について、応力緩和試験を行い、その耐熱性（クリープ特性）を調べた。この応力緩和試験は、１５０℃の大気雰囲気中で、各試験片の変位が一定に保持されるように、時間の経過と共にその試験片に印加する応力を緩和していくものである。すなわち、各試験片に最初１００ＭＰａの圧縮応力を印加し、そのときの試験片の変位が一定に保たれるように、時間の経過に併せてその圧縮応力を低減していった。このとき各試験片について得られた応力−時間関係を図１に示した。
【００２４】
（２）組織写真
上記試験片Ｎｏ．１−２および試験片Ｎｏ．１と試験片Ｎｏ．２−２および試験片Ｎｏ．２との組織を金属顕微鏡（倍率５００）で観察したものを図３および図４にそれぞれ示した。各図（ａ）は図２におけるＸＺ平面・ＹＺ平面での断面を示し、各図（ｂ）はＸＹ平面での断面を示す。
【００２５】
（３）ヤング率
前述したアルミナ短繊維：４体積％、アルミナ短繊維：１５体積％、ホウ酸アルミニウムウイスカ繊維：１７体積％と、前述した粒径が１０μｍのＳｉＣ粒子の含有量を種々変化させて分散させたＭｇ基複合材料を上述した方法で製造した。母材にはＡＺ９１Ｄを用いた。その各種Ｍｇ基複合材料から試験片を切出して、そのヤング率を測定した。ここで、上記試験片の切出方向は、基本的にいずれもＸＹ方向（図２参照）つまりは繊維方向としたが、アルミナ短繊維を４体積％分散させた複合材料については、縦方向（Ｚ方向：図２参照）つまりは繊維方向に垂直な方向からも試験片を切出して、それらのヤング率を測定した。各試験片のヤング率とＳｉＣ粒子の含有量との関係を図５に示した。
【００２６】
（Ｍｇ基複合材料の評価）
（１）強化繊維の配向について
図１中の試験片Ｎｏ．１および試験片Ｎｏ．１−２を対比すれば明らからかなように、同じＭｇ基複合材料でありながら、試験片の切出方向によって、クリープ特性は大きく異なる。つまり、試験片Ｎｏ．１−２のように繊維方向（ＸＹ方向）で切出した試験片は、高温環境下においても長時間、高圧縮応力を維持でき、非常にクリープ特性に優れることが解った。
試験片Ｎｏ．１と試験片Ｎｏ．１−２との相違は、図３に示した組織写真からも明らかなように、分散したアルミナ短繊維の配向にあると考えられる。つまり、試験片Ｎｏ．１−２の場合、アルミナ短繊維がほぼ荷重方向に配向しており、図１に示すような優れたクリープ特性を示した。一方、試験片Ｎｏ．１の場合、アルミナ短繊維は荷重方向にはほとんど配向しておらず、クリープ特性は試験片Ｎｏ．１−２よりも低いものとなったと考えられる。
【００２７】
次に、図１中の試験片Ｎｏ．２および試験片Ｎｏ．２−２を対比すれば明らからかなように、試験片の切出方向によるクリープ特性の相違はほとんどなかった。この試験片Ｎｏ．２等は、試験片Ｎｏ．１等と同量の強化繊維を分散させたものであるが、使用した強化繊維の種類が異なる。この強化繊維の種類の相違が、両者のクリープ特性の相違として主に出現したものと思われる。
【００２８】
これは、図４に示した試験片Ｎｏ．２および試験片Ｎｏ．２−２の組織写真からも明らかである。試験片Ｎｏ．２−２は、試験片Ｎｏ．２と比べれば、強化繊維であるホウ酸アルミニウムウイスカの特定方向への配向が観られるものの、その配向の程度はあまり強くない。
このように、試験片Ｎｏ．１−２と試験片Ｎｏ．２−２との相違は、強化繊維の繊維長に強く依存していると思われる。
【００２９】
（２）強化粒子の含有について
図５に示したヤング率とＳｉＣ粒子の含有量との関係を観ると、当然のことながら、ＳｉＣ粒子の含有が増えるに伴って各試験片のヤング率は上昇している。
ここで、アルミナ短繊維を１５体積％分散させた場合とホウ酸アルミニウムウイスカを１７体積％分散させた場合とを比較すると明らかなように、アルミナ短繊維を分散させた場合の方が、Ｖｆが少ないにも拘らずヤング率は上昇している。これは、アルミナ短繊維の配向性に加えて、図３および図４からも解るように、ＳｉＣ粒子がアルミナ短繊維の周囲に凝集して、強化材としての骨格構造を強化させたためではないかと思われる。
【００３０】
また、アルミナ短繊維を４体積％分散させたＭｇ基複合材料の場合、それをＸＹ方向に切出した試験片の方が、ＳｉＣ粒子の含有量に対するヤング率およびそのヤング率の上昇割合（つまり傾き）が大きい。このような相違は、アルミナ短繊維の配向性による影響と思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各種Ｍｇ基複合材料からなる試験片の応力緩和試験結果を示すグラフである。
【図２】試験片の切出方向を示す図である。
【図３】試験片Ｎｏ．１およびＮｏ．１−２の組織写真であり、同図（ａ）は図２におけるＸＺ平面・ＹＺ平面での断面を示し、同図（ｂ）は図２におけるＸＹ平面での断面図を示す。
【図４】試験片Ｎｏ．２およびＮｏ．２−２の組織写真であり、同図（ａ）は図２におけるＸＺ平面・ＹＺ平面での断面を示し、同図（ｂ）は図２におけるＸＹ平面での断面図を示す。
【図５】各種Ｍｇ基複合材料からなる試験片について調べた、ヤング率とＳｉＣ粒子の含有量との関係を示すグラフである。
【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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