(57)【要約】  ナノスケールの金属粉末の製造方法が開示されている。この方法は、金属化合物を含む基材を用意することを含み、この基材は還元剤によって金属材料へと化学的に還元されるように構成されている。この方法は、約１ミクロン未満の平均粒子径を有する粉末粒子を多数有して成る、基材の粉末を形成することも含む。この方法は、基材の化学的還元と金属材料の多数の粒子の形成とを促進する環境条件下で、粉末粒子を還元剤と共に反応容器に入れることを、さらに含む。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属化合物を有する基材を用意するステップであって、該基材は還元剤によって金属材料へと化学的に還元されるように構成されているステップ、
約１ミクロン未満の平均粒子径を有する粉末粒子を多数有して成る、前記基材の粉末を形成するステップ、及び
前記基材の化学的還元と前記金属材料の多数の粒子の形成とを促進する環境条件下で、粉末粒子を還元剤と共に反応容器に入れるステップ
を有すること特徴とするナノスケールの金属粉末を製造する方法。
【請求項２】
前記基材がマグネシウム化合物若しくはアルミニウム化合物、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記基材が、マグネシウム化合物を有して成り、前記金属材料の多数の粒子がマグネシウム若しくはマグネシウム合金、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記マグネシウム化合物が、塩化マグネシウム、フッ化マグネシウム、ヨウ化マグネシウム、窒化マグネシウム、硝酸マグネシウム、重炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、過酸化マグネシウム、セレン化マグネシウム、テルル化マグネシウム、若しくは硫化マグネシウム、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
前記基材が、アルミニウム化合物を有して成り、前記金属材料の多数の粒子がアルミニウム若しくはアルミニウム合金、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記アルミニウム化合物が、ホウ酸アルミニウム、臭化アルミニウム、塩化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、リン酸アルミニウム、セレン化アルミニウム、硫酸アルミニウム、硫化アルミニウム、テルル化アルミニウム、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
前記基材が、アルミニウム化合物及びマグネシウム化合物を有して成り、前記金属材料の多数の粒子がマグネシウム若しくはマグネシウム合金及びアルミニウム若しくはアルミニウム合金、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項８】
前記還元剤がＩ族の元素を有して成ることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
前記還元剤が水素又は水素化合物を有して成ることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記還元剤が水素ガスを有して成ることを特徴とする、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記金属材料の前記多数の粒子が、前記粉末粒子の粒径よりも小さい平均粒子径を有していることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記金属材料の前記多数の粒子が、約１ｎｍ〜約１ミクロンの平均粒子径を有することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記金属材料の前記多数の粒子が、約５ｎｍ〜約500ｎｍの平均粒子径を有することを特徴とする、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記金属材料の前記多数の粒子が、約１ｎｍ〜約15ｎｍの平均粒子径を有することを特徴とする、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記金属材料の前記多数の粒子が、前記基材の分子構造によって決定される粒子形態を有していることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記金属材料の前記多数の粒子が、多孔質の粒子形態を有していることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記反応容器に前記粉末粒子を入れるステップが、流動床反応器に前記粉末粒子を入れることを含み、該粉末粒子は該粉末粒子の流動床を成し、前記還元剤は流通して粉末粒子の前記流動床を形成するようになっている流体を成していることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記環境条件が、前記粉末粒子を化学的に還元して前記金属材料の粒子を形成するのに十分な所定の温度に前記流動床を加熱することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の製造方法。
【請求項１９】
前記還元剤が水素又は水素化合物を有して成ることを特徴とする、請求項１８に記載の製造方法。
【請求項２０】
前記反応容器に前記粉末粒子を入れるステップが、
前記粉末粒子を前記反応容器中にスプレーして粉末粒子の流れを作り、
前記反応容器内を通る前記還元剤の流れを作り、該反応容器内を通る該還元剤の流れが前記粉末粒子の流れに当たること
を特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項２１】
前記環境条件が、前記粉末粒子を化学的に還元して前記金属材料の粒子を形成するのに十分な所定の温度に、前記粉末粒子の流れと前記還元剤とを加熱することを特徴とする、請求項２０に記載の製造方法。
【請求項２２】
前記還元剤が水素又は水素化合物を有して成ることを特徴とする、請求項２１に記載の製造方法。
【請求項２３】
前記スプレーの前に、前記粉末粒子を液体キャリアと合わせてスラリーを形成する段階をさらに有し、前記粉末粒子をスプレーすることが該スラリーをスプレーすることを含むことを特徴とする、請求項２０に記載の製造方法。
【請求項２４】
前記液体キャリアが、有機液体若しくは無機液体、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項２３に記載の製造方法。
【請求項２５】
前記無機液体が水性液体であることを特徴とする、請求項２４に記載の製造方法。
【請求項２６】
前記反応容器に前記粉末粒子を入れるステップが
前記反応容器に前記粉末粒子を入れるステップが、バッチ式炉、連続炉、又はキルンに前記粉末粒子を入れることを有して成り、
前記反応容器を通る前記還元剤の流れを作り、該反応容器を通る該還元剤の流れによって前記粉末粒子が前記還元剤20に曝されること
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項２７】
前記環境条件が、前記粉末粒子を化学的に還元して前記金属材料の粒子を形成するのに十分な所定の温度に、前記粉末粒子の流れと前記還元剤とを加熱することを特徴とする、請求項２６に記載の製造方法。
【請求項２８】
前記還元剤が水素又は水素化合物を有して成ることを特徴とする、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項２９】
前記環境条件が、所定の温度、所定の圧力、所定の電場、所定の電流、若しくは所定の電圧、又はこれらの組み合わせを含むことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３０】
前記基材の粉末を形成するステップが、前記基材をボールミル粉砕又は凍結粉砕して前記粉末粒子を形成することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３１】
前記金属材料の前記多数の粒子をボールミル粉砕又は凍結粉砕することをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３２】
マグネシウム若しくはアルミニウム又はこれらの組合せを含む多数の粉末粒子を有して成り、該粉末粒子は、マグネシウム化合物、アルミニウム化合物、又はそれらの組合せからの還元に由来する所定の粒子形態をそれぞれ有することを特徴とする金属粉末。
【請求項３３】
前記所定の粒子形態が多孔質であることを特徴とする、請求項３２に記載の金属粉末。
【請求項３４】
前記所定の粒子形態が、粒子径が約１〜約100ｎｍであることを含むことを特徴とする、請求項３２に記載の金属粉末。
【請求項３５】
前記所定の粒子形態が粒子クラスタを含むことを特徴とする、請求項３２に記載の金属粉末。
【請求項３６】
前記粉末粒子がナノ構造粉末粒子を有して成ることを特徴とする、請求項３２に記載の金属粉末。
【請求項３７】
前記粉末粒子が、マグネシウムのコアと、Ni、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn、Mg、若しくはSi、又はこれらの少なくとも１つを有する酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物、若しくはサーメット、又はこれらの組み合わせを含む少なくとも１つの金属被覆層とを有することを特徴とする、請求項３２に記載の金属粉末。
【請求項３８】
前記粉末粒子が、アルミニウムのコアと、Ni、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn、Mg、若しくはSi、又はこれらの少なくとも１つを有する酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物、若しくはサーメット、又はこれらの組み合わせを含む少なくとも１つの金属被覆層とを有することを特徴とする、請求項３２に記載の金属粉末。
【請求項３９】
マグネシウム化合物若しくはアルミニウム化合物又はそれらの組合せの多数の粉末粒子をそれぞれ有して成る基材粉末を直接的に還元することによって、マグネシウム若しくはアルミニウム又はそれらの組合せを含む多数の粉末粒子を有して成る金属粉末を用意するステップであって、該基材粉末粒子の平均粒径が約１ミクロン未満であるステップ、
前記金属粉末粒子の外表面に金属被覆材料のナノスケール金属被覆層を蒸着して、被覆金属粉末粒子を形成するステップ、及び
前記被覆金属粉末粒子の前記ナノスケール金属被覆層を焼結して、実質的に連続した金属被覆材料のセル状ナノマトリクスと、該セル状ナノマトリクス中に分散された前記金属粉末粒子を有して成る分散された多数の粒子とを形成することによって、粉末金属成形体を形成するステップ
を含む、粉末金属成形体の製造方法。
【請求項４０】
前記金属材料の前記多数の粒子が、約１ｎｍ〜約１ミクロンの平均粒子径を有することを特徴とする、請求項３９に記載の製造方法。
【請求項４１】
前記金属材料の前記多数の粒子が、約５ｎｍ〜約500ｎｍの平均粒子径を有することを特徴とする、請求項４０に記載の製造方法。
【請求項４２】
前記多数の金属粉末粒子が、前記基材粉末の分子構造によって決定される粒子形態を有していることを特徴とする、請求項３９に記載の製造方法。
【請求項４３】
前記多数の金属粉末粒子が、多孔質の粒子形態を有していることを特徴とする、請求項３９に記載の製造方法。
【請求項４４】
ナノ構造粉末粒子を有して成る前記多数の金属粉末粒子をボールミル粉砕又は凍結粉砕することをさらに含むことを特徴とする、請求項３９に記載の製造方法。
【請求項４５】
前記粉末金属成形体を形成するステップが、常温圧縮成形、ホットプレス、鍛造、若しくは押出し、又はこれらの組み合わせを含むことを特徴とする、請求項３９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野及び背景技術】
【０００１】
油井及び天然ガス井並びに炭素隔離などに用いられる削井、仕上げ、及び生産作業は、その機能故に、井戸の耐用年数に比べるとはるかに短い限られた耐用年数しか要求されない坑井部品又は坑井器具を利用することが多い。坑井部品又は坑井器具のサービス機能が終了した後は、炭化水素製造、ＣＯ2隔離などを含む流体通路の使用に向けて、流体通路の元の大きさを回復するために、そのような部品乃至器具を除去するか処分しなくてはならない。部品や器具の処分は、従来は、部品又は器具を粉砕又は穿孔して坑井から取り出すことによってなされてきたが、これは、概して時間と費用のかかる作業であり、特に、坑井の水平部分にあってはそうであった。
【０００２】
このような粉砕又は穿孔作業の必要性を廃するために、所定の坑井流体に曝すなど、坑井の環境条件に応答して選択的および制御可能に分解又は腐食させることのできるセル状のナノマトリクスを有する材料のような、制御された電解材料を用いた溶解又は腐食によって部品又は器具を除去することも知られている。この方法は、例えば、「ナノマトリクス粉末金属成形体の製造方法」と題された、2009年12月８日提出の出願番号12/633,688の米国特許出願に記載されている。
【０００３】
様々な坑井器具及び坑井部品を製造するために、金属粉末から粉末成形体として形成された制御された電解材料を使用することによって、粉末成形体を形成するのに使用される金属粉末を改良し、大量の金属粉末を製造する対費用効果の高い方法を改良し、さらに、製造された金属粉末を用いて粉末金属成形体を形成する方法を改良することが非常に望ましい。
【発明の概要】
【０００４】
好適な一態様には、ナノスケールの金属粉末を製造する方法が開示されている。この方法は、金属化合物を含む基材を用意することを含み、この基材は還元剤によって金属材料へと化学的に還元されるように構成されている。この方法は、約１ミクロン未満の平均粒子径を有する粉末粒子を多数有して成る、基材の粉末を形成することも含む。この方法は、基材の化学的還元と金属材料の多数の粒子の形成とを促進する環境条件下で、粉末粒子を還元剤と共に反応容器に入れることを、さらに含む。
【０００５】
他の好適な態様には、金属粉末が開示されている。金属粉末は、マグネシウム若しくはアルミニウム又はこれらの組合せを含む多数の粉末粒子を有して成り、該粉末粒子は、マグネシウム化合物、アルミニウム化合物、又はそれらの組合せからの還元に由来する所定の粒子形態をそれぞれ有する。
【０００６】
さらに他の好適な態様には、粉末金属成形体を製造する方法が開示されている。この方法は、マグネシウム化合物若しくはアルミニウム化合物又はそれらの組合せの多数の粉末粒子をそれぞれ有して成る基材粉末を直接的に還元することによって、マグネシウム若しくはアルミニウム又はそれらの組合せを含む多数の粉末粒子を有して成る金属粉末を提供することを含む。基材粉末粒子の平均粒径は、約１ミクロン未満である。この方法は、また、金属粉末粒子の外表面に金属被覆材料のナノスケール金属被覆層を蒸着して、被覆金属粉末粒子を形成することを含む。この方法は、さらに、被覆金属粉末粒子のナノスケール金属被覆層を焼結して、実質的に連続した金属被覆材料のセル状ナノマトリクスと、前記セル状ナノマトリクス中に分散された前記金属粉末粒子を有して成る分散された多数の粒子とを形成することによって、粉末金属成形体を形成する方法を含む。
【０００７】
以下において図面を参照した説明を行うが、複数の図面において、類似の要素には同様の番号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この出願に開示されている金属粉末を製造する方法の好適な態様のフローチャートである。
【図２】この出願に開示されている金属粉末から粉末成形体を製造する方法の好適な態様のフローチャートである。
【図３】この出願に開示されている金属粉末と共に使用される複合粉末粒子を製造する方法の好適な態様と、当該方法によって形成された金属粒子とを示す概略断面図である。
【図４】この出願に開示されている金属粉末を製造する方法の、第二の好適な態様を示す概略断面図である。
【図５】この出願に開示されている金属粉末を製造する方法の、第三の好適な態様を示す概略断面図である。
【図６】この出願に開示されている被覆金属粉末粒子の概略断面図である。
【図７】この出願に開示されている粉末成形体の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面、より具体的には図１〜７を参照すると、管理された電解材料（controlled electrolytic material = CEM）の粉末成形体100を形成するための使用に適したマグネシウム金属粉末及びアルミニウム金属粉末10などの金属粉末10を製造する方法200、並びに前記電解材料（CEM）の粉末成形体100を製造する方法300が開示されている。マグネシウム金属粉末及びアルミニウム金属粉末10などの金属粉末10は、マグネシウム化合物粉末及びアルミニウム化合物粉末30などの金属化合物粉末30から、これらの金属化合物粉末を直接的に還元することによって形成する。これらの金属粉末10は、マグネシウム化合物粉末及びアルミニウム化合物粉末などの、前駆体である金属化合物粉末30と、金属粉末を作るために選択される還元剤及び使用される方法とによって定まる粉末粒子モルホロジー又は粉末粒子構造を有して作られる。約１ｎｍ程度にまでサイズが低下した非常に微細な粉末、この非常に微細な粉末のクラスタ、多孔質粒子、並びに金属化合物粉末30の金属部分の化学的還元と、反応種としての金属化合物粉末30の非金属部分の除去とによって定められる他の形状及び特徴を含む分子粉末粒子形態又は分子粉末粒子構造と称することのできるものを、前記のように形成された金属粉末は有する。これらの金属粉末10から形成された粉末成形体100は微細な結晶粒組織を有することができ、結晶粒界によってこのような物質内での転位の移動が妨げられるので、高い極限圧縮強さを示す。このことは、部分的には、成形体を形成するのに使用される金属粉末10の微細な粒子径によって定めることができる。高い極限圧縮強さは、この出願に記載されているように形成された後の金属粉末粒子に与えられるナノ構造と共に成形体の形成中に得られる金属間相の形成によっても助長することができる。
【００１０】
図１及び図３〜７を参照すると、ナノスケールのマグネシウム金属粉末又はアルミニウム金属粉末を含むナノスケールの金属粉末10を製造する方法200が開示されている。この方法200は、マグネシウム化合物若しくはアルミニウム化合物又はそれらの組み合わせのような金属化合物を有して成る基材を用意するステップ210を含み、ここにおいて前記基材は、粉末粒子14を有して成る金属材料12を形成するための還元剤20による化学的還元に適するように構成されている。この方法は、また、前記基材32の粉末30を形成するステップ220を含み、該粉末30は、平均粒径が約１ミクロン未満の粉末粒子34を多数有して成る。方法200は、前記基材の化学的還元と前記金属材料12の多数の金属粉末粒子14の形成とを促進する環境条件24下で前記還元剤20と共に反応容器22に粉末粒子34を入れるステップ230も含む。
【００１１】
マグネシウム化合物若しくはアルミニウム化合物又はそれらの組み合わせのような金属化合物を有して成る基材であって、金属材料12を形成するための還元剤20による化学的還元に適するように構成されている基材を用意するステップ210は、マグネシウム化合物若しくはアルミニウム化合物、又はマグネシウム化合物とアルミニウム化合物との組み合わせなどの適切な金属化合物を選択することによって達成することができる。様々なマグネシウム化合物又はアルミニウム化合物を含む適切な金属化合物としては、適切な還元剤20によって還元されて例えばマグネシウム又はアルミニウムなどの金属材料を形成することのできるものを選択すればよい。
【００１２】
基材32及び選択された金属化合物は、適切なあらゆる金属化合物を含むことができる。適切な金属化合物としては、様々なアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ポストトランジションメタル（post transition metal）、及び半金属の化合物を含む。これらの内、マグネシウムとアルミニウムの化合物が、この出願に記載されているCEM材料の用意に用いることのできる金属粉末を形成するための使用に特に望ましい。
【００１３】
一例として、基材32と金属化合物とはマグネシウム化合物を含んでもよく、金属粉末10を形成するための基材32の還元で形成される金属材料12の多数の金属粉末粒子14は、マグネシウム、より詳しくは、マグネシウム合金又はその組み合わせを含んでもよい。金属材料12は、また、酸化マグネシウム、炭化マグネシウム、若しくは窒化マグネシウム、又はこれらの組み合わせと共に、マグネシウム化合物の化学的還元中に形成されることのあるマグネシウムを有する様々な金属間化合物を含んでいてもよい。適切なマグネシウム化合物としては、塩化マグネシウム、フッ化マグネシウム、ヨウ化マグネシウム、臭化マグネシウム、窒化マグネシウム、硝酸マグネシウム、重炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、過酸化マグネシウム、セレン化マグネシウム、テルル化マグネシウム、若しくは硫化マグネシウム、又はこれらの組み合わせなども挙げることができる。適切なマグネシウム化合物としては、マグネシウムに加えて他の金属元素を含むものも挙げることができる。
【００１４】
他の例として、選択される基材32はアルミニウム化合物を含んでもよく、金属粉末10を形成するための基材32の還元で形成される金属材料12の多数の金属粉末粒子14は、アルミニウム、より詳しくは、アルミニウム合金又はその組み合わせを含んでもよい。金属材料12は、また、酸化アルミニウム、炭化アルミニウム、若しくは窒化アルミニウム、又はこれらの組み合わせと共に、アルミニウム化合物の化学的還元中に形成されることのあるアルミニウムを有する様々な金属間化合物を含んでいてもよい。適切なアルミニウム化合物としては、ホウ酸アルミニウム、臭化アルミニウム、塩化アルミニウム、ヨウ化アルミニウム、フッ化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、硝酸アルミニウム、酸化アルミニウム、リン酸アルミニウム、セレン化アルミニウム、硫酸アルミニウム、硫化アルミニウム、テルル化アルミニウム、又はこれらの組み合わせなども挙げることができる。適切なアルミニウム化合物としては、アルミニウムに加えて他の金属元素を含むものも挙げることができる。
【００１５】
更に他の例として、選択される基材32はアルミニウム化合物及びマグネシウム化合物を含んでもよく、金属粉末10を形成するための基材32の還元で形成される金属材料12の多数の金属粉末粒子14は、別々の粒子としてアルミニウム及びマグネシウムを含んでもよく、又は粒子としてアルミニウムとマグネシウムとの合金、アルミニウムとマグネシウムとの金属間化合物、若しくはアルミニウムとマグネシウムとの他の組み合わせを含んでもよい。マグネシウム化合物及びアルミニウム化合物を含む基材32を選択すると、還元によって、マグネシウム若しくはマグネシウム合金及びアルミニウム若しくはアルミニウム合金、又はこれらの組み合わせを含む、金属材料12の多数の粒子を与えることもできる。アルミニウムとマグネシウムとを共に還元するためには、アルミニウム化合物及びマグネシウム化合物の両方を還元することを可能にする、一態様においてはアルミニウム化合物とマグネシウム化合物とを同時に還元することを含む、適切な還元剤20と環境条件24とが必要になる。
【００１６】
基材32の粉末30を形成するステップ220は、適切なあらゆる粉末形成装置を用いて、基材32の粉末を形成するあらゆる適切な方法によって行うことができる。この出願に記載されているタイプの基材32は、方法200に従って使用するのに望ましい粒径よりも大きい、様々な平均粒径の粒状物の形態にあることを含み、様々な形態で提供することができる。したがって、平均粒径を、本発明の方法による使用に適した粒径へと小さくするのに形成ステップ220を使用することができる。一態様において、粉末30は、基材32をボールミル粉砕して平均粒径を小さくすることによって形成することができ、特に、凍結粉砕によって形成することができる。基材32の粉末30は、平均粒子径などの粒子径を有する。この粒子径は還元されるとナノスケール金属粉末10を製造するように選択される。この出願では、約１ミクロン未満の平均粒子径を含み、約１ミクロン未満の粒径としてこの粒子径を定義する。一態様においては、基材32の粉末30は、この出願で記載しているように、化学的還元によってナノスケール金属粉末粒子14を製造するのに十分な粒径を有する粉末粒子34を含んでもよい。また別の態様においては、基材32の粉末30は、約１ミクロン未満の平均粒径を有していてもよく、さらに別の態様においては、約0.5ミクロン未満の平均粒径を有していてもよい。
【００１７】
方法200は、また、基材32の化学的還元と金属材料12の多数の金属粉末粒子34の形成とを促進する環境条件24下で、反応容器22に基材粉末30の粉末粒子34を還元剤20と共に入れるステップ230を含む。還元剤、反応容器22、及び環境条件24のあらゆる適切な組み合わせを採用して、粉末粒子34を還元することができる。以下に、いくつかの好適な態様を記載する。
【００１８】
所望の金属材料12を製造するために選択された、アルミニウム化合物若しくはマグネシウム化合物、又はそれらの組み合わせなどの金属化合物を還元することのできる適切な還元剤20であれば、あらゆるものを利用することができる。一態様において、還元剤20は、元素の周期表のＩ族に属する元素を含むことができる。Ｉ族の元素の内、その高い反応性と比較的豊富にあることから、水素とカリウムが特に望ましい。還元剤として水素を使用することは、水素又は水素化合物、特に水素ガスを必要とする。好適な水素化合物としては、様々な炭化水素、水素化トリエチルホウ素リチウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化ジイソブチルアルミニウムなどの水素化物と共に、アンモニア、様々なアンモニウム化合物、ヒドラジンなどの水素−窒素化合物、及び水素アニオン（水素化物イオン）若しくは水素を還元剤20として使用するのに適した量及び化学的形態で与えるように構成された他の化合物を挙げることができる。様々な水素、カリウム、又は他のＩ族化合物の選択及び使用は、水素アニオン（水素化物イオン）、水素、又は他のＩ族元素を、基材32の還元に使用することができるように解き放つための様々な中間反応を必要とすることを理解されたい。
【００１９】
基材32を還元して金属材料12を与えるために必要な還元反応を促進するのに適した環境条件又は条件の組み合わせ24であれば、あらゆる環境条件を採用して反応を行うことができる。一態様においては、還元反応を促進するために、温度を上げるための熱を与える。他の態様においては、反応容器22中の雰囲気を制御して該反応容器内で使用できる反応物質種を限定する。例えば、周囲の大気圧よりも低い圧力を含む所定の圧力で反応容器を運転することによって、例えば、酸素若しくは窒素又はそれら両方などの様々な反応物質の分圧を低下させる。例えば、所望の製造物である粉末以外の、還元反応の生成物（例えば、H2O、HCl、HBrなど）を反応容器から除去して逆反応が起こるのを防ぐことが重要である。反応容器の雰囲気は、ヘリウム、アルゴンなどの不活性キャリアガスを使用することによって、窒素若しくは酸素又はそれらの両方などの様々な反応物質種を排除するためにも制御することができる。ここにおいて、望ましくない反応物質種を除去して、基材32との反応のために還元剤20などの所定の反応物質種のみを供給する、密封された反応容器を介したガス流によるなど、水素などの還元剤20を不活性ガスと共に導入することができる。他の態様においては、所定の環境条件とは、所定の温度、所定の圧力、所定の反応物質種、所定の電場、所定の電流、若しくは所定の電圧、又はこれらの組み合わせを含む。
【００２０】
基材32の化合物粉末粒子30の化学的還元によって形成された金属材料12の多数の粒子は、適切であればいかなる粒子径を有していてもよい。一態様においては、基材32の化合物粒子30、還元剤20、及び環境条件24を、金属粉末10の粒子の平均粒径が基材32の化合物粉末粒子30の粒径よりも小さくなるように選択することができる。他の態様においては、還元反応によって製造された金属粉末粒子14が凝集して又は相互に結び付いて、還元される基材32の化合物粉末粒子34よりも大きな粒子径を有する金属粉末粒子14が製造される場合などのように、金属粉末10の粒子の平均粒径が基材32の化合物粉末粒子30の粒径よりも大きくなるように、基材32の化合物粒子30、還元剤20、及び環境条件24を選択することができる。一例においては、還元反応によって溶融状態の金属粉末粒子14が製造され、溶融状態で１以上の粒子が相互に衝突して相互に冶金学的に結合又は融合する場合などのように、様々に異なる化合物粉末粒子34から還元された金属粉末粒子14が、金属結合によって相互に融合される。他の例においては、ファンデルワールス力、静電気力、並びに反応容器22内での還元若しくは他の反応に起因することのある、又は還元反応が終了した後の表面付加物に関連する金属及び化学結合を含む分子間引力により、様々に異なる化合物粉末粒子34から還元された金属粉末粒子14が集まる。前記方法200、より具体的には、化合物粉末粒子34、還元剤20、並びに環境条件24及び還元反応は、様々な粒子径を有する金属粉末粒子14を製造するように設計されているが、この出願に記載されている粉末成形体100の製造に使用されるナノスケールの金属粉末粒子14を製造するために方法200が用いられるのが特に望ましい。一態様において、金属材料12の多数の金属粉末粒子14は、約１ｎｍ〜約１ミクロンの平均粒子径を有することができる。他の態様においては、金属材料12の多数の金属粉末粒子14は、約５ｎｍ〜約500ｎｍの平均粒子径を有することができる。さらに他の態様においては、平均粒子径が約１ｎｍ〜約100ｎｍ、より好ましくは約１ｎｍ〜約50ｎｍ、より一層好ましくは約１ｎｍ〜15ｎｍである非常に微細な金属粉末粒子14を製造するのに、前記方法200を用いることができる。
【００２１】
化合物粉末粒子34の還元によって形成されることにより、金属材料12の金属粉末粒子14は、化合物粉末粒子34の粒子形態又は粒子構造（例えば、粒径及び形状）によって決定される粒子形態を有している。そして、この出願に記載されているように、これらの粒子は非常に小さな粒子径を有するように選択することができるので、このことは基材32の分子構造にも関連する。一態様において、特に還元反応が粒子の溶融を伴い、表面張力が粒子形態に影響する場合は、金属粉末粒子14は実質的に球状の粒子形態を有することがある。他の態様においては、この出願に記載されているように、様々なタイプの粒子凝集が起こり、溶融粒子又は粒子クラスタを形成する。さらに他の態様においては、基材32の分子構造と共に還元反応によって、還元と基材32の化合物粉末粒子34の非金属部分の除去とに際して、様々な多孔質粒子形態が得られる。化合物粒子粉末から非金属部分を除去すると、金属材料の多孔質ネットワークを有する金属粉末粒子となり、これらの金属粉末粒子は化合物粉末粒子34の形状を反映する全体的形状を有するが、金属材料12の多孔質ネットワークで構成されている。一例として、化合物粉末粒子34は、粒子の結晶又は分子構造及びボールミル粉砕又は凍結粉砕などの前記粒子を製造するのに用いられる方法によって定められる、実質的に球状、平板状、又は不規則な形状を有していることがある。
【００２２】
基材32の化学的還元と該基材32の多数の金属粉末粒子14の形成を促進する環境条件24の下で、反応容器22に還元剤20と共に基材粉末30の粉末粒子34を入れるステップ230は、基材32と還元剤20と環境条件24とのあらゆる組み合わせを用いて、適切なあらゆる反応容器22中で行うことができる。
【００２３】
一態様において、方法200は流動床反応器50に化合物粉末粒子34を入れるステップ230を有し、ここにおいて、図３に概略的に説明されているように、粉末粒子は該粉末粒子の流動床52を成し、還元剤20は流通して粉末粒子の前記流動床52を形成するようになっている流体54を成している。好適な態様においては、前記流体として、この出願に記載されているように、水素ガス又は水素化合物を挙げることができる。環境条件24としては、粉末粒子を化学的に還元して金属粉末粒子14を形成するのに十分な所定の温度に、流動床52、流体54、又はそれら両方を加熱することを含む。反応はバッチ反応として実施することができ、この方式では、化合物粉末粒子34の流動床が作られ、全流動床又は流動床の一部が金属粉末粒子14に変換されるまで還元反応が進行する。或いは、反応を連続反応として行うこともでき、連続式では、還元反応が進行して密度の相違などによって反応床中で分離した金属粉末粒子14を連続的に又は所定の間隔を置いて反応器22からに除去するにつれ、化合物粉末粒子34の流動床を連続的に又は所定の間隔で補給する。還元反応によって作られる化合物及び化学種56は、適切なあらゆる方法で反応器から排出することができる。
【００２４】
別の態様においては、カラムリアクタ60などの反応容器22に化合物粉末粒子34を入れるステップ230は、図４に概略的に示されているように、化合物粉末粒子34を反応容器中にスプレーして粉末粒子の流れ58を作り、また、反応容器22内を通る流体54としての還元剤20の向流などの流れを作ることを含む。一態様において、このステップは溶融した粉末粒子の流れ58を含む。反応容器を通る還元剤20の流れは、化合物粉末粒子34の流れ58に当たり、化合物粉末粒子の還元を促進する。環境条件24としては、化合物粉末粒子34を化学的に還元して金属材料12の金属粉末粒子14を形成するのに十分な所定の温度に、粉末粒子の流れ58と還元剤20とを加熱することを含む。一態様において、これは、カラムリアクタ60の一部分62を加熱器64で加熱することによって達成することができる。この態様においては、還元剤20としては水素又は水素化合物を挙げることができ、より具体的には不活性キャリアガスと共に用いる水素ガスを挙げることができる。この態様において、前記方法200は、化合物粉末粒子のスプレーの前に、化合物粉末粒子34を液体キャリアと合わせてスラリー59を形成して液体中に粒子を分散させるステップも含み、これによると、化合物粉末粒子をスプレーするステップはスラリー59をスプレーする段階を有して成ることになる。粉末34の中にはキャリア流体に溶解するものもある（Mg塩が水に溶解するように）。噴出されたマグネシウム塩は反応容器中で蒸発し、Mg塩の細かい粒子を形成する。液体キャリアとしては、好適な液体キャリアであればいかなるものも使用することができ、有機液体若しくは無機液体、又はこれらの組み合わせを挙げることができる。無機液体の例としては、各種の水性液体を挙げることができる。別の例として、キャリアは炭化水素液体であってもよく、還元剤20としての水素源を提供するように選択されてもよい。
【００２５】
更なる態様においては、反応容器22に化合物粉末粒子34を入れるステップ230は、バッチ式炉（図５）、連続炉（図示せず）、又は回転式キルン（図示せず）の内の１つのような加熱炉70に化合物粉末粒子34を入れるステップを有して成る。投入ステップ230は、反応容器22としての加熱炉70を通る流体54としての還元剤20の流れを作ることを含み、反応容器を通る還元剤20の流れによって化合物粉末粒子34が還元剤20に曝される。この態様において、環境条件24は、化合物粉末粒子34と還元剤70とを加熱炉中で、化合物粉末粒子34を化学的に還元して金属粉末粒子14を形成するのに十分な所定の温度にまで加熱することも含んでもよい。この態様においては、還元剤20として水素又は水素化合物も用いることができる。化合物粒子34は、例えば、バッチとして時刻（ｔ1）に導入され、該バッチの還元を完遂するのに十分な時間還元剤に曝してから、時刻（ｔ2）に金属粉末粒子14を回収することができる。
【００２６】
金属粉末粒子14が形成されたら、以下にさらに記載され、図７に示されるように、該粒子は粉末金属成形体100を製造する方法300で用いることができる。この方法300は、この出願に記載されているように、マグネシウム化合物若しくはアルミニウム化合物又はこれらの組み合わせなどの金属化合物の多数の化合物粉末粒子34を有して成る基材粉末30をそれぞれ直接的に還元することによって、マグネシウム粒子若しくはアルミニウム粒子又はそれらの組み合わせを含む多数の金属粉末粒子14を有して成る金属粉末10を製造するステップ310を含み、前記基材粉末粒子34は約１ミクロン未満の粒子径、より具体的には約１ｎｍから約1000ｎｍ未満の粒子径を有している。別の態様においては、この方法は、カソードセンターとしての、Fe、Co、Cu、Niなどの金属化合物を含む。これらの金属化合物の粒径はｎｍからμｍに亘る。図６に示されているように、方法300は、また、金属粉末粒子14の外表面19に金属被覆材料18のナノスケール金属被覆層16を蒸着して、被覆金属粉末粒子15を形成するステップ320を有する。図７に説明されているように、この方法300は、多数の被覆金属粉末粒子15のナノスケール金属被覆層16の圧縮によって、実質的に連続した金属被覆材料17のセル状ナノマトリックスと、前記セル状ナノマトリックス中に分散された前記金属粉末粒子14を含む分散された多数の粒子とを形成することによって、粉末金属成形体100を形成する方法を含む。
【００２７】
マグネシウム粒子若しくはアルミニウム粒子又はそれらの組み合わせを含む多数の金属粉末粒子14を有して成る金属粉末10を、この出願に記載されているように、マグネシウム化合物若しくはアルミニウム化合物又はこれらの組み合わせなどの金属化合物の多数の化合物粉末粒子34であって、約１ミクロン未満の粒子径、より具体的には約１ｎｍから約1000ｎｍ未満の粒子径を有している前記基材粉末粒子34を含んで成る基材粉末30をそれぞれ直接的に還元することによって製造するステップ310については、方法200と共に既に記述した。
【００２８】
図６に示されているような、金属粉末粒子14の外表面19に金属被覆材料18のナノスケール金属被覆層16を蒸着して、被覆金属粉末粒子15を形成するステップ320は、スパッタリング、電子ビーム蒸着法、熱蒸着法、パルスレーザー蒸着法、及び陰極アーク堆積法などの種々の物理蒸着（PVD）法、並びに常圧CVD、低圧CVD，超高真空CVD、液体直接噴射式CVD（direct liquid injection CVD）、プラズマ強化CVD、マイクロ波プラズマCVD、及び有機金属CVDなどの化学蒸着（CVD）法を含む、適切な蒸着法及び装置によって行うことができる。ナノスケール金属被覆層16については、2009年12月８日に提出された同時係属中の米国特許出願第12/633,682号に記載されているものを含んでもよく、その開示の全体をこの参照によって本願明細書に取り入れる。より具体的には、マグネシウムとマグネシウム合金の金属粉末粒子14の場合は、該金属粉末粒子14は、例えば、純粋なマグネシウムと種々のマグネシウム合金とを含み、後者としては、Mg−Zr合金、Mg−Zn−Zr合金、Mg−Al−Zn−Mn合金、Mg−Zn−Cu−Mn合金、若しくはMg-Ｗ合金、又はこれらの組み合わせを例示することができる。また、種々のナノスケール金属被覆層16は、Ni、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn、Mg、若しくはSi、又はこれらの少なくとも１つを有する酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物、若しくはサーメット、又はこれらの組み合わせを含んでもよく、このことは2011年８月30日に提出された同時係属中の米国特許出願第13/220,824号に記載されている。この出願の開示の全体をこの参照によって本願明細書に取り入れる。アルミニウムとアルミニウム合金の金属粉末粒子14の場合は、該金属粉末粒子14は、例えば、純粋なアルミニウムと種々のアルミニウム合金とを含み、後者としては、Al−Cu−Mg合金、Al−Mn合金、Al−Si合金、Al−Mg合金、Al−Mg−Si合金、Al−Zn合金、Al−Zn−Cu合金、Al−Zn−Mg合金、Al−Zn−Cr合金、Al−Zn−Zr合金、若しくはAl−Sn−Li合金、又はこれらの組み合わせを例示することができる。また、種々のナノスケール金属被覆層16は、Ni、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn、Mg、若しくはSi、又はこれらの少なくとも１つを有する酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物、若しくはサーメット、又はこれらの組み合わせを含んでもよく、このことは2011年８月30日に提出された同時係属中の米国特許出願第13/220,824号に記載されている。この出願の開示の全体をこの参照によって本願明細書に取り入れる。金属被覆層16は、分離したバラバラの微細粒子21、粒子のクラスタ23、及び様々な粒子形状の多孔質粒子25を含む全ての形態の、方法200によって製造することのできる金属粉末粒子14に設けることができる（図６）。
【００２９】
多数の被覆金属粉末粒子15のナノスケール金属被覆層16の圧縮によって、実質的に連続した金属被覆材料18のセル状ナノマトリックスと、前記セル状ナノマトリックス中に分散された前記金属粉末粒子14を含む分散された多数の粒子とを形成することによって、粉末金属成形体100を形成するステップ330は、常温静水圧圧縮成形（CIP）を含む常温圧縮成形、熱間静水圧圧縮成形を含むホットプレス、鍛造、若しくは押出し、又はこれらの組み合わせを含む、あらゆる形成法及び装置で行うことができる。ステップ330は、粉末の形成中、形成後、又はその両方のいずれかの間に、粉末及び／又は成形体を加熱することも含む。
【００３０】
粉末成形体100としては、ステップ330の間に相互に結合した複数の金属被覆層16の材料を有するナノマトリックス材料のセル状ナノマトリックスを含み、該セル状ナノマトリックス中には多数の前記金属粉末粒子14が分散されている。分散されている金属粉末粒子14は、実質的に連続であるセル状ナノマトリックス中で等軸状であってもよく、また、ステップ330にて大きく延伸されていても歪められていてもよい。分散されている金属粉末粒子が大きく延伸されている場合は、該分散されている金属粉末粒子14とセル状ナノマトリクスとは連続であっても不連続であってもよい。実質的に連続であるセル状ナノマトリックスと焼結した金属被覆層16で形成されたナノマトリックス材料とは、圧縮と多数の金属粉末粒子14の多数の金属被覆層16の焼結とによって、例えば、CIP、HIP、押出し、若しくは動的鍛造、又はこれらの組み合わせによって形成される。ナノマトリックス材料の化学組成は、前記焼結に関連する拡散効果により、被覆材料の化学組成とは異なっている場合がある。粉末金属成形体100も、金属材料12を有して成る多数の分散された粉末粒子14を含んでいる。分散された金属粉末粒子14は、多数の金属粉末粒子14に対応し、また、これらから形成される。金属被覆層16としての多数の金属粉末粒子14の金属材料12は共に焼結されてナノマトリックスを形成する。分散された金属材料12の化学組成は、焼結に関連する拡散効果により、形成前の化学組成とは変化する場合もある。
【００３１】
この出願で用いられている、セル状ナノマトリクスという用語は、質量割合であれ、容量割合であれ、粉末成形体100における量が多い方の構成要素を意味せず、むしろ、量が少ない方の構成要素をさしている。これは、マトリクスが質量割合又は容量割合で量が多い方の構成要素を成している多くのマトリクス複合体とは相違している。実質的に連続という用語によって、粉末成形体100の中で、セル状ナノマトリクスが、広範囲に亘って規則的、連続的且つ相互に連結された性状のナノマトリクス材料の分散状態を意図している。ここにおいて使用されている「実質的に連続」という用語は、また、粉末成形体100中にナノマトリクス材料が広がっている状態、即ち、ナノマトリクス材料が、分散されている金属粉末粒子14の実質的に全部の間に広がり、分散されている金属粉末粒子の実質的に全部を包み込んでいる状態を記述している。実質的に連続という用語は、分散されている各金属粉末粒子14の周囲のナノマトリクスが完全に連続で規則的に整列していることは求められていないことを意味して用いられている。例えば、金属粉末粒子14上の金属被覆層16における欠陥によって、粉末成形体100の焼結中に複数の金属粉末粒子14に架橋が生じる場合がある。その結果、粉末成形体の他の箇所においてはナノマトリクスが実質的に連続であってこの明細書に記載の構造を示しているとしても、欠陥のある箇所において、セル状ナノマトリックス内に局所的不連続を生じてしまうことがある。これとの対比において、押出しによって形成されたもののように、分散されている金属粉末粒子14がかなり延伸されている場合は、「実質的に不連続」という用語は、分散されている各金属粉末粒子14の周囲のナノマトリクスの不完全な連続性と破損（例えば、ひび割れ又は分離）とが、所定の押出し方向又はこの方向を横切る方向に発生するかもしれないことを意味して用いられる。この出願中で使用されている「セル状」という用語は、ナノマトリクスが、分散された金属粉末粒子14を取り囲んで相互接続するナノマトリクス（被覆層16）材料の、繰り返して配置される相互接続された複数の区画又はセルのネットワークを有することを意味して用いられている。この出願で用いられている「ナノマトリクス」という用語は、マトリクスの大きさ又はスケール、特に隣接する分散された粒子14間のマトリクスの厚さを記述するのに用いられる。ナノマトリクスを形成するために焼結される複数の金属被覆層は、それ自体、厚さがナノスケールである被覆層である。分散されている金属粉末粒子14の３個以上の交点以外の多くの位置において、ナノマトリクスは、通常、ナノスケールの厚さを有する隣接する複数の粉末粒子14からの２層の被覆層16の相互拡散と結合とを有して成るので、形成されたナノマトリクスもナノスケールの厚さ（例えば、この出願に記載されている被覆層の厚さの約２倍の厚さ）を有し、それ故にナノマトリクスと記述される。さらに、分散された金属粉末粒子14という用語は、質量割合であれ、容量割合であれ、粉末成形体100における量が少ない方の構成要素を意味せず、むしろ、量が多い方の構成要素をさしている。分散された粒子という用語は、粉末成形体100中で、金属材料12が不連続で分離した分散状態にあることを伝えようとしている。
【００３２】
粉末成形体100は、円筒片、棒、シート又は他の形の大きさ又は形状を含む、所望の形状又は大きさを有することができ、このような形状の成形体は加工され、形成され、或いは使用されて、種々の坑井器具及び部品を含む、製品である有用な物品を成す。ステップ330は、粉末成形体100を形成し、金属粉末粒子14及び被覆層16を変形して粉末成形体200の完全な理論密度と所望の微視的形状及び大きさとその形態とを与えるのに使用することができる。また、ステップ330は、完全な理論密度よりも小さい密度を有する圧縮成形された物品を提供するのに用いることもできる。分散された金属粉末粒子14の形態（例えば、等軸の形態、又は実質的に延伸された形態）及び複数の被覆層16のセル状ネットワークは、粉末粒子が圧縮成形されて相互拡散して粒子間の空間を埋めるように変形する際の粉末粒子の焼結と変形とに起因する。一態様において、焼結温度と成形ステップ330の圧力とは、粉末成形体100の密度がほぼ完全な理論密度を確実に達成するように選択することができる。
【００３３】
さらに被覆層16の蒸着320の前であれ後であれ、成形ステップ330の前に金属粉末粒子14を機械的に又は他の方法で処理して、金属粉末粒子14、又は金属粉末粒子14と被覆層16との両方の内部にナノ構造を与えて、ナノ構造化された金属粉末粒子14としてもよい。形成ステップ330の間にナノ構造化された金属粉末粒子14を用いることにより、結果として得られる粉末成形体100もナノ構造化された材料を有して成ることができる。好適な一態様においては、ナノ構造化された材料は、約200ｎｍ未満の粒度、サブグレイン度又は結晶子サイズ、より具体的には約10ｎｍ〜約200ｎｍの粒度、より一層具体的には、約100ｎｍ未満の平均粒度を有する材料である。ナノ構造体は、粒度を定義するのに通常用いられる、大傾角粒界、若しくは特定の結晶粒内での下部構造として生じることがあり、結晶子サイズを定めるのに用いられる低傾角粒界、又はそれらの組み合わせを含んでいてもよい。ナノ構造は、適切なあらゆる方法によって、金属粉末粒子14及び／又は被覆層16に形成することができ、ナノ構造の内でも変形誘起ナノ構造の場合は、ボールミル粉砕、より具体的には凍結粉砕（例えば、ボールミル媒体中で低温でのボールミル粉砕、又は液体窒素などの低温流体中でのボールミル粉砕）によって形成することができる。金属粉末粒子14は、例えば、この出願に記載のマグネシウム合金又はアルミニウム合金のプレアロイ粉粒子を粉砕又は凍結粉砕することによるなどの適宜の方法によって、ナノ構造化した材料として形成することができる。また、不活性ガス凝縮、化学蒸着法、パルス電子堆積、プラズマ合成、不定形固体の結晶化、電着、及び強変形などを含む方法によって、金属粉末粒子14及び／又は被覆層16もナノ構造化された材料215として形成することができる。ナノ構造は、例えば、1017ｍ-2と1018ｍ-2との間の転位密度のような、高転位密度を有していてもよく、このような転位密度は、冷間圧延などの伝統的な方法で変形された類似の合金材料よりも二桁〜三桁高い。前記方法200を用いて形成された微細粒子は、粒子クラスタ及び多孔質粒子を含む独特の粒子形態と共に、その小さな粒径と独特の特徴によって更なるナノ構造化を行うことができる場合がある。その理由は、粒子クラスタは、該粒子クラスタに取り入れられた金属粉末粒子に関連する粒界を形成する傾向があり、多孔質粒子は形成中に閉じる孔に関連する追加的な粒界を形成するからである。この追加的なナノ構造化によって、これらの金属粉末10から形成された粉末成形体100の、極限圧縮強さ、降伏強度などの機械的性質がさらに高くなることが期待される。
【００３４】
一以上の態様について図示し、記述してきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、変更や置換を行うことができる。したがって、本発明を制限することなく、例示によって記述してきたことが理解されるべきである。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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