(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合し、かつ前記ＮｂおよびＡｌが未反応の状態で焼結された焼結体であって、エネルギを受けた部分がＮｂ−Ａｌ金属間化合物となる大きさの前記エネルギを受ける場所で使用されることを特徴とする構造材料。
【請求項２】
請求項１記載のＮｂおよびＡｌの焼結体の層を表面あるいは内部に有することを特徴とする構造材料。
【請求項３】
ＮｂおよびＡｌの薄板を交互に積層してこれらが互いに未反応の状態で一体化されたクラッド材の層を複数層設け、該クラッド材の層と層の間あるいは前記クラッド材の層を挟むようにして、ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合してこれらが互いに未反応の状態で焼結されている焼結体の層を介在させあるいは前記クラッド材の層を挟むように配置されて一体化されており、且つ少なくとも前記焼結体の層にエネルギを受けた部分がＮｂ−Ａｌ金属間化合物となる大きさの前記エネルギが作用する場所で使用されることを特徴とする構造材料。
【請求項４】
前記クラッド材の層の間の前記焼結体の層は、前記クラッド材間の隙間の全域に充填されずに部分的であることを特徴とする請求項３記載の構造材料。
【請求項５】
外殻を成す薄板の間に、ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合してこれらが互いに未反応の状態で焼結されている焼結体が充填されて一体化されており、且つ前記焼結体にエネルギを受けた部分がＮｂ−Ａｌ金属間化合物となる大きさの前記エネルギが作用する場所で使用されることを特徴とする構造材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は構造材料に関する。更に詳述すると、本発明は、例えばアークを受ける環境や隕石やデブリ等の衝突を受ける環境等での使用に適した亀裂進展抑止機能を有する構造材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
重電機器部品のなかにはアークを受ける環境で使用されるものがある。このような部品はアークにより局所的に溶融して損傷を受けることが考えられるため、その対策としてアークに強いタングステンを材料として採用している。またアークを受ける電気接点材料としては、銅とタングステンの複合材料よりなるものが市販されている。これは電気接点材料として、銅の高い電気伝導度とタングステンのアークに強い特性を兼ね備えることを狙ったものである。
【０００３】
また、宇宙空間で使用される構造材料には高速物体の衝突が予測され、これに十分耐える材料が望まれる。例えば、宇宙空間には隕石が高速で漂っており、更に地球周回軌道上には隕石の分布を上回る数のデブリ（過去に打ち上げられた人工衛星などの構造物の破片）が秒速１０〜２０ｋｍのスピードで漂っている。これら隕石やデブリ等の高速物体が人工衛星やスペースステーションなどの宇宙構造物に衝突した場合、衝突物体の運動エネルギーが熱エネルギーに変換されて被衝突物を溶融させながら、クレーター状の穴を穿ちながら侵入する。そして、衝突物の速度（ｖ）および質量（ｍ）が大きくその運動エネルギー（ｍｖ２／２）が大きい場合は衝突物が被衝突物を貫通するが、逆に上記運動エネルギーが小さく被衝突物が十分に厚い場合は衝突物は被衝突物の内部で停止する。一般に、構造材料は概して強度の高いものほど衝撃荷重に弱く、亀裂が入ると一挙に脆性破壊する傾向がある。また、これとは対照的な材料として、超塑性を示す金属間化合物の存在が知られているが、これらは逆に構造材料としての特性は劣っている。そこで、宇宙構造物においては、脆性破壊し難い材料によって衝撃荷重に隕石およびデブリが貫通しないように十分な強度（厚さ）の覆いを備えることが要求されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、重電機器部品の材料としてのタングステンは加工性が悪く、しかも重いなどの欠点がある。また、電気接点材料としてアークに強い銅とタングステンの複合材料も、同様に、加工性の悪化や重量増加などの欠点を伴うものである。
【０００５】
また、人工衛星やスペースステーションなどの宇宙構造物材料においては、重量の厳しい制約を受けるため、隕石およびデブリが貫通しないように十分な強度（厚さ）の覆いを構成することが難しい問題を有している。
【０００６】
本発明は、構造材料として良好な機械的特性（軽量、高強度、良好な加工性など）の要求と、衝突物の運動エネルギーから変換された熱エネルギーやアークの熱エネルギーなどからの防護の要求を、ともに高レベルで達成できる亀裂進展抑止機能を有する構造材料を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明にかかる請求項１記載の構造材料は、ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合し、かつ前記ＮｂおよびＡｌが未反応の状態で焼結された焼結体であって、エネルギを受けた部分がＮｂ−Ａｌ金属間化合物となる大きさのエネルギを受ける場所で使用されることを特徴とするものである。ＮｂおよびＡｌの各粉末の粒径は、接触面積を増やすために、できるだけ微粒であることが好ましいが、より好ましくは０．１μｍ〜１μｍ程度である。また、ＮｂおよびＡｌの各繊維も同様に、直径は、接触面積を増やすためにはできるだけ細いことが好ましいが、より好ましくは０．１μｍ〜１μｍ程度であり、長さは、補強材として機能するためにある程度の長さを有していることが好ましく、例えば数μｍ〜数ｍｍ程度である。
【０００８】
この構造材料を用いて構成された構造物は、通常時は、高強度材としてのＮｂと軽量構造材としてのＡｌとの複合材としての特性をもつが、高速物体の衝突あるいはアークを受けることなどで局所的・瞬間的に加熱されると、その部分でＮｂとＡｌが反応して、例えばＮｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３等の硬くて耐熱性に優れるＮｂとＡｌの金属間化合物を局所的に生成することになる。このＮｂ−Ａｌ金属間化合物は、アークによる損傷の深さを低減させ、高速衝突物体の貫通深さを低減させる。
【００１１】
また、本発明の構造材料は、ＮｂおよびＡｌの薄板を交互に積層してこれらが互いに未反応の状態で一体化されたクラッド材の層を複数層設け、該クラッド材の層と層の間あるいはクラッド材の層を挟むようにして、ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合してこれらが互いに未反応の状態で焼結されている焼結体の層を介在させあるいはクラッド材の層を挟むように配置されて一体化されており、且つ少なくとも焼結体の層にエネルギを受けた部分がＮｂ−Ａｌ金属間化合物となる大きさのエネルギが作用する場所で使用されることを特徴とする。クラッド材間に充填される焼結体の層は、クラッド材間の隙間の全域に充填されずに部分的であっても良いし、全域に充填されても良い。いずれの場合にも、ＮｂおよびＡｌの薄板だけで構成する場合よりも容易に厚みのある板状構造材料を製造できる。
【００１２】
また、本発明の構造材料は、外殻を成す薄板の間に、ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合してこれらが互いに未反応の状態で焼結されている焼結体が充填されて一体化されており、且つ焼結体にエネルギを受けた部分がＮｂ−Ａｌ金属間化合物となる大きさのエネルギが作用する場所で使用されることもある。この場合には、外殻を成す薄板はＮｂあるいはＡｌの板であっても良いが、場合によってはその他の金属板あるいはカーボングラファイト板などでも良い。
【００１３】
更に、本発明の構造材料は、上述のＮｂおよびＡｌの焼結体で構成されるばかりではなく、上述のＮｂおよびＡｌの焼結体の層として構造材料の表面あるいは内部に有するようにしても良い。即ち、構造材料の全ての部分をＮｂとＡｌの焼結体で形成する必要はなく、一部分をＮｂとＡｌの焼結体にしても良い。この場合には、高速物体やアークはＮｂとＡｌの焼結体層に到達したところで、それらの影響をとどめることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１に、本発明の構造材料の実施形態の一例を示す。この構造材料１は、ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合し、かつＮｂおよびＡｌが未反応の状態で焼結された焼結体によって構成される。
【００１６】
ＮｂおよびＡｌの各粉末の粒径は、アークや高速物体の衝突などで外から衝撃的なエネルギ（以下、衝撃エネルギと呼ぶ）を局所的に受けて瞬間的に加熱されたときに、瞬時に反応して金属間化合物を生成できるものであれば特に制限されるものではないが、迅速な反応を可能にする観点で接触面積を考慮すればより微粒であることが好ましく、例えば０．１〜１μｍ程度が好ましい。粒径が０．１μｍよりも小さい場合には、粉末の製造コストが高くなり過ぎると考えられるからである。したがって、製造コストを考慮しない場合等には粒径が０．１μｍよりも小さい粉末を使用しても良い。また、粒径を１μｍ以下とするのは、粒径が１μｍよりも大きくなるとＮｂ粉末とＡｌ粉末の接触面積が減少してＮｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３などの金属間化合物を瞬時に生成するのが困難になると考えられるからである。これらに加え、粒径が０．１〜１μｍ程度の粉末は粉末冶金法によって焼結体を製造するのに適しているからである。
【００１７】
Ｎｂ粉末とＡｌ粉末との配合比率は、構造材料の用途に応じて適宜選定される。例えば、軽量で高熱伝導率であるというＡｌの特性をより強調したい場合にはＡｌ粉末の比率を高めれば良く、高耐熱性であるというＮｂの特性を強調したい場合にはＮｂ粉末の比率を高めればよい。具体的には、Ｎｂ粉末とＡｌ粉末の配合比率は、Ｎｂ粉末２０〜８０ｖｏｌ％とＡｌ粉末２０〜８０ｖｏｌ％の範囲で選択されることが好ましく、より好ましくは各５０％ずつの体積比、若しくはＮｂ粉末７０ｖｏｌ％とＡｌ粉末３０ｖｏｌ％との混合比ないし、Ｎｂ粉末３０ｖｏｌ％とＡｌ粉末７０ｖｏｌ％との混合比で調整された場合に良好な亀裂進展抑止機能を有する構造材料が得られた。
【００１８】
これらＮｂ粉末とＡｌ粉末とは偏り無く分散されるように混合された状態で、型あるいは定盤などを使って所望の形状に圧縮成形されてＮｂとＡｌとが未反応の状態で焼結される。例えば、スパークプラズマ焼結（ＳＰＳ）法によって製造される。このスパークプラズマ焼結は、ＮｂおよびＡｌを粉末または繊維の状態で分散混合させたものをカーボングラファイトのダイスに詰めて圧縮成形し、カーボン型に通電することによって、圧粉体（ＮｂおよびＡｌの粉末または繊維）に直接電圧を加え、粉体粒子間に起きる放電プラズマで粒子表面を活性化し、更に通電加熱して焼結する方法である。これにより、ＮｂおよびＡｌが未反応の状態で焼結することにより一体化する。また、熱間等方圧成形（ＨＩＰ）やホットプレスなどで焼結させても良い。これら粉末の圧縮成形体を焼結する温度としては、粉末を焼結することができ、且つＮｂとＡｌを反応させることがない温度であれば特に制限されないが、例えばＡｌの融点よりも若干低い６００℃程度が考えられる。この温度であれば、ＮｂとＡｌが反応して金属間化合物を生成することはない。また、焼結時の雰囲気は真空雰囲気であることが好ましい。また、圧粉体の成形と焼結とは、圧粉体を成形した後に焼結を行っても良く、あるいは圧縮成形と焼結を同時進行させても良い。
【００１９】
以上のように、ＮｂおよびＡｌが未反応状態で焼結される構造材料は、軽量構造材としてのＡｌと高強度材としてのＮｂからなる複合材としての特性を併せ持ち、軽量、高強度、加工性に優れるなどの機械的特性に優れている。したがって、通常の焼結金属と同様に、所望の形状・構造に加工され、様々な分野での構造材料として利用可能である。しかも、一旦衝撃的エネルギを外部から受けると、その部分のＮｂとＡｌが瞬間的に反応してＮｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３などの硬くて耐熱性のある金属間化合物を局所的に生成するため、全体として構造材料の強度を維持したまま衝撃的エネルギに起因する亀裂などが進展するのを抑止することができる。
【００２０】
したがって、この構造材料は、例えばアークが飛ぶ電気接点への使用に適している。電気接点にアークが飛ぶと、アークの熱エネルギーによって電気接点が局所的に溶融する。しかしながら、本発明の亀裂進展抑止機能を有する構造材料を使用することで、図１に示すように、アークを受けた部位の局所発熱によってＮｂとＡｌが反応しＮｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３などの金属間化合物が瞬時に生成される。Ｎｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３は耐熱性に優れているので、アークの熱エネルギーによる溶融損傷の深さを低減させることができる。一方、Ｎｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３などの金属間化合物は溶融損傷が進展する部位にのみ形成され、その他のアークを受けていない部位には形成されない。即ち、金属間化合物が形成されるのは電気接点のごく一部分に過ぎず、大部分の場所の機械的特性をそのまま維持することができる。
【００２１】
また、この亀裂進展抑止機能を有する構造材料は、例えば人工衛星やスペースステーションなどの保護壁への使用に適している。保護壁に隕石やデブリが衝突すると、その損傷による亀裂が進展して深い穴をあけたり貫通したりする。そして、このとき、通常の構造材料であれば、楔状の亀裂の進展が起こるのが一般的である。しかしながら、本発明の亀裂進展抑止機能を有する構造材料を使用することで、衝突部分の局所発熱によってＮｂとＡｌが反応してＮｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３などの金属間化合物が瞬時に生成される。Ｎｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３は硬いことから衝突の損傷による亀裂の進展を抑え、深い穴への発展を防止して貫通を防ぐことができる。一方、Ｎｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３などの金属間化合物は亀裂が進展する部分にのみ形成され、その他の隕石等が衝突していない部分には形成されない。即ち、靱性の劣る金属間化合物が形成されるのは保護壁のごく一部の部位に過ぎず、その他の大部分の部位の機械的特性をそのまま維持することができる。
【００２２】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、原料としてＮｂおよびＡｌの粉末を使用していたが、粉末に限るものではない。例えばＮｂおよびＡｌの繊維を使用しても良い。この場合、ＮｂおよびＡｌの繊維は補強材としても機能する。したがって、補強材としての効果を考慮すると、あまり短過ぎれば粉末と同じになって繊維形態をとる意義を失い、長過ぎると取り扱い難くなる。そこで、ＮｂおよびＡｌの繊維の大きさは、遮蔽しようとする衝撃的エネルギを受けたときに瞬時にＮｂとＡｌとが反応して金属間化合物を生成できるものであれば良く、特に制限されるものではないが、例えば、長さ数μｍ〜数ｍｍ、直径０．１〜１μｍ程度とすることが好ましい。繊維の直径を０．１〜１μｍ程度とするのは、このサイズよりも太くなるとＮｂ繊維とＡｌ繊維の接触面積が減少してＮｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３などの金属間化合物を瞬時に生成させ難くなると考えられるからであり、０．１μｍより細くしようとすると繊維の製造コストが高くなり過ぎると考えられるからである。これらに加え、上述の数μｍの短繊維から数ｍｍの長繊維の場合には粉末冶金法によって焼結体を製造するのに適しているからである。
【００２３】
また、ＮｂおよびＡｌとして、粉末状のものと短繊維あるいは長繊維状のものとを混合して使用しても良いことは勿論である。
【００２４】
また、上述の実施形態では主にＮｂとＡｌの粉末や繊維あるいはこれらを混合したものから成る焼結体で構成される構造材料について説明したが、このような焼結体に限るものではない。例えば、本発明の構造材料は、ＮｂおよびＡｌの薄板を交互に積層し、かつＮｂおよびＡｌの各薄板が未反応の状態で一体化されたクラッド材で構成されることもある。
【００２５】
原料となるＮｂ薄板およびＡｌ薄板の厚さとしては、遮蔽しようとする衝撃的エネルギを受けて瞬時に反応して金属間化合物を生成できるものであれば特に制限されるものではないが、迅速な反応を可能にする観点からはできるだけ薄いことが好ましい。例えば０．１ｍｍ程度以下のものの使用が好ましい。各薄板の厚さが０．１ｍｍよりも厚くなると、反応に寄与しないＮｂとＡｌの割合が多くなり過ぎ、Ｎｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３などの金属間化合物の生成が不十分になると考えられるからである。また、数十μｍないし数μｍの箔とも呼ばれる薄さでは製造コストが高くなり過ぎるが、コスト的な問題を解決できるのであればこのような薄さの方が好ましい。
【００２６】
このＮｂ薄板とＡｌ薄板とを積層しクラッド材とするには、例えばホットプレス（hot pressあるいはhot plate press）を利用して実施することができる。ホットプレスは、板材などを熱板間に差し入れ、可動上盤を液圧などにより作動させて加熱圧縮する機械である。そこで、ＮｂおよびＡｌの例えば０．１ｍｍ程度の薄板を交互に積層し、６００℃にて真空雰囲気でホットプレスすることにより、ＮｂとＡｌの各薄板が未反応の状態で加熱されながら加圧されて一体化されクラッド材を形成することができる。
【００２７】
ここで、Ｎｂ薄板とＡｌ薄板のどちらか一方または双方の接合される面を粗くしておくことが好ましい。この場合には、Ｎｂ薄板とＡｌ薄板との接触面積を増加させ、より効率的にＮｂとＡｌの共晶反応を行わせることができ、亀裂進展機能を高めうる。尚、薄板の接触面の粗面化は、梨地処理のようなものでも良いし、薄板そのものを多孔質に形成することによっても実現できる。
【００２８】
このように、ＮｂおよびＡｌの薄板を積層したクラッド材として製造する場合には、大面積の亀裂進展抑止機能を有する構造材料を製作するのが容易となる。
【００２９】
また、亀裂進展抑止機能を有する構造材料の全体を焼結体やクラッド材から成るＮｂＡｌ相で形成する必要はなく、ＮｂＡｌ相の層を部分的に備える亀裂進展抑止機能を有する構造材料であっても良いし、ＮｂＡｌ相の焼結体とクラッド材の複合体であっても良い。例えば、図２（Ａ）に示すように、本発明の構造材料１は、外殻を成す薄板１２，１２の間に、ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合してこれらが互いに未反応の状態で焼結されている焼結体１１が充填されて一体化されることもある。この場合には、外殻を成す薄板１２，１２はＮｂあるいはＡｌの板であっても良いが、場合によってはその他の金属板あるいはカーボングラファイト板などでも良い。カーボンはＮｂやＡｌと反応し難く、また軽くて丈夫であるので外殻薄板１２として適している。また、外殻薄板１２の形状は図示のような平板形状に限るものではなく、製品形態に応じた様々な形状を取りうることは言うまでもなく、それらの間にＮｂやＡｌの粉末や繊維を充填できるものであれば良い。この構造材料１は、例えば、ＮｂおよびＡｌを粉末または繊維の状態でよく分散されるように混合して外殻薄板１２の間に充填し、６００℃程度にて真空雰囲気で外殻薄板１２ごとホットプレスなどで加圧して、ＮｂおよびＡｌが未反応の状態で加熱しながら加圧成形することで製造できる。また、あらかじめ焼結されたＮｂとＡｌの未反応焼結体を２枚の外殻薄板１２の間に装入してホットプレスすることで一体化しても良い。
【００３０】
また、図２（Ｂ）に示すように、Ｎｂ薄板１３とＡｌ薄板１４とを複数枚積層して形成したクラッド材１５を外殻薄板１２とし、この外殻薄板１２の間に、ＮｂおよびＡｌの粉末または繊維を混合して充填し、ＮｂとＡｌが反応しない温度で加熱しながら加圧成形して焼結体１１の層を設けても良い。例えば、厚板状の亀裂進展抑止機能を有する構造材料等を製造する場合には、極めて薄い箔を積層する方法では積層する箔の枚数が多大になるので現実的ではないが、間にＮｂおよびＡｌの粉末または繊維を混合して充填することで、厚板状の亀裂進展抑止機能を有する構造材料の製造が容易になる。
【００３１】
また、本発明の構造材料１は、図２（Ｃ）に示すように、ＮｂおよびＡｌの薄板を交互に積層してこれらが互いに未反応の状態で一体化されたクラッド材１５の層を複数層設け、該クラッド材１５の層と層の間あるいはクラッド材１５の層を挟むようにして、ＮｂおよびＡｌの各粉末または繊維若しくは双方を分散配合してこれらが互いに未反応の状態で焼結されている焼結体１１の層を介在させあるいはクラッド材１５の層を挟むように配置されて一体化されるようにしても良い。クラッド材１５の間に充填される焼結体１１の層は、クラッド材１５の間の隙間の全域に充填されずに部分的であっても良いし、全域に充填されても良い。いずれの場合にも、ＮｂおよびＡｌの薄板だけで構成する場合よりも容易に厚みのある板状構造材料を製造できる。
【００３２】
更に、本発明の構造材料１は、図２（Ｄ）に示すように、上述のＮｂおよびＡｌの焼結体１１若しくはクラッド材１５を構造材料の層として表面あるいは内部に有するようにしても良い。即ち、構造材料１の全ての部分をＮｂとＡｌの焼結体１１あるいはクラッド材１５で形成する必要はなく、一部分をＮｂとＡｌの焼結体１１あるいはクラッド材１５の層にしても良い。そして、ベースとなる構造材料の母材部分１６はＮｂやＡｌ以外の材質からなる構造材採用される。この場合には、高速物体やアークはＮｂとＡｌの焼結体層あるいはクラッド材層に到達したところで、それらの影響をとどめることができる。
【００３３】
また、上述の実施形態では、説明の便宜上、本発明の構造材料１の形状については代表的に板材やブロックを例に挙げて説明したが、ＮｂおよびＡｌの粉末または繊維を圧縮成形して焼結する場合や、ＮｂおよびＡｌの箔を積層して加圧成形する場合に、製品としての形状に成形しても良いことは言うまでもない。即ち、亀裂進展抑止機能を有する構造材料として一次成形を行った後に二次成形を行って製品形状に仕上げるのではなく、亀裂進展抑止機能を有する構造材料を直接製品形状に成形するようにしても良い。この場合には、加工工数を少なくすることができる。
【００３４】
【実施例】
本発明の亀裂進展抑止機能を有する構造材料を試作してその効果を確認するための実験を行った。この亀裂進展抑止機能を有する構造材料は、通常時は軽量構造材としてのＡｌと高強度のＮｂから成る複合材としての特性をもつが、高速物体の衝突およびアークなどによる局所的・瞬間的加熱に対しては１９４０℃にてＮｂ３Ａｌ金属間化合物を生成することが期待される。この金属間化合物の融点は２０６０℃であり、高融点である。従って材料のダメージを低減する作用を発揮することが期待される。そこで、Ａｌ（30vol%）−Ｎｂ（70vol%）の焼結体と、Ａｌ（50vol%）−Ｎｂ（50vol%）の焼結体を以下の通り作成して、本発明の効果を確認した。
【００３５】
［焼結体の試作］
先ず、Ｎｂ−Ａｌ焼結体を次の焼結条件で試作した。
0004591985.tif 000002
［焼結結果］
試作した焼結体（試験片１，２）をＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー）により解析した。その組成解析結果を図３に示す。焼結後の組織が単相のＮｂおよびＡｌから構成されていることが確認できた。
【００３６】
［レーザー照射実験］
次に、下記の条件でレーザー照射実験を行った。なお、レーザーを使用したのは、アークおよび高速衝突による局所加熱を簡易的に模擬するためである。
0004591985.tif 000003
【００３７】
［レーザー試験後試験片の観察結果］
レーザー照射後の試験片の外観を図４に示す。レーザー照射部には直径２ｍｍ程度の溶融痕が生じた。レーザー照射の最中に、Ａｌの蒸発と思われる白い煙が見られ、照射後の溶融痕周辺に蒸発した痕跡が残されている。このような現象から、レーザービームが当たった局部領域では瞬間的にＡｌの蒸発温度である約２４７０℃に達したと推定できる。
【００３８】
図５に電流４０Ａ、２秒間レーザ照射後の溶融ゾーンを拡大して示す。レーザー照射後の溶融ゾーンは、本来のＮｂ−Ａｌ焼結体の表面に見られない金属の光沢を呈している。
【００３９】
図１に溶融ゾーン近傍の断面組織写真を示す。この写真には半円状（実際には半球状）の凝固組織が認められる。半球状になる理由は、無限厚さの板の表面に熱源を瞬間的に与えた場合の非定常熱伝導モデルの等温面に合致するためと考えられる。凝固組織の周りには大小の空洞が存在するが、これは照射時の加熱によりＡｌ相が蒸発したことによる多孔質組織と考えられる。半球状の溶融ゾーン２の周辺部には、これを包むように球面状の亀裂３が発生した。この亀裂３は、Ａｌが蒸発して溶融ゾーン２の体積が減少したために生じたと推定される。この亀裂面に沿って、固くて耐熱性の高い金属間化合物４の層、即ちＮｂ３Ａｌ金属間化合物（融点２０６０℃）およびＮｂＡｌ３金属間化合物（融点１６８０℃）を検出した。通常の部材が高速物体の衝突を受けた場合には、くさび状の亀裂が進展することが一般的である。しかし本発明の亀裂進展抑止機能を有する構造材料では、上述の固い球面状の金属間化合物４が瞬時に生成し、これが応力集中を防ぎ亀裂３が亀裂進展抑止機能を有する構造材料に深く進展することを妨げる効果を示唆している。またＡｌの蒸発により衝突時の発熱が効果的に除去され、さらに蒸発の結果できる球面状亀裂３のために、発熱部から亀裂進展抑止機能を有する構造材料本体に熱が伝わりにくくなって、溶融の進展が抑止される。本亀裂進展抑止機能を有する構造材料では以上の一連の現象により、亀裂進展抑止機能が狙い通りに発揮されると考えられる。
【００４０】
上記亀裂３およびその周辺の微細組織についての観察により、溶融ゾーン２および球面状亀裂３の近傍で共晶組織の特徴を有する樹枝晶が確認できた（図６）。このような共晶組織は照射される前には存在していない。従ってレーザー照射部においてＮｂとＡｌの共晶温度（６６０℃）以上の高温に達し、液相組織が再結晶したと思われる。一方、半球状の溶融ゾーン２はレーザービームの照射時間に比例して拡大すると推定したが、実際の照射痕跡を比較したところ、照射時間の増加に伴う溶融ゾーン２の拡大は顕著ではない。この理由としては、レーザービームの熱エネルギーがＡｌの蒸発に消費されると共に、焼結材料のＮｂ含有量よりＮｂリッチな金属間化合物相の生成を誘発するための変態エネルギーにも消費されると考えられる。
【００４１】
［分析結果］
レーザ照射後の試料のＥＰＭＡ解析結果を図７（試験片２）および図８（試験片１）に示す。溶融ゾーンの中で金属の光沢を呈する部分のＡｌの含有量が約４ｗｔ％と異常に減少していることが分かった。これはレーザー照射の最中にＡｌの蒸発と思われる白い煙が見られ、照射後の溶融痕周辺にＡｌが蒸発した痕跡が残されている現象と符合する。すなわち半球状溶融ゾーンの中心部では、レーザ照射時にＡｌの蒸発温度である約２４７０℃に達したとほぼ断定できる。一方Ｎｂの融点は２４６８℃であるため、この温度においてＮｂが溶解され、金属間化合物が形成できると考えられる。さらに溶融Ｎｂと樹脂晶の間の狭い球面状領域には約１４ｗｔ％および５０ｗｔ％Ａｌの相が存在することがＥＰＭＡの解析で明らかになった。Ｎｂ−Ａｌの状態図（図９）ではＮｂ３ＡｌおよびＮｂＡｌ３が各々１４ｗｔ％および４７ｗｔ％Ａｌを有する。従ってレーザー照射によってＮｂ３ＡｌおよびＮｂＡｌ３金属間化合物が生成したと考えられる。
【００４２】
一方、レーザ照射と比較するため、赤外線ランプによって焼結材料全体を瞬間的に加熱する実験を行った。本実験の温度プログラムおよび加熱後のＮｂＡｌ試験片外観を光学顕微鏡で観察した。ランプ加熱後に広範囲で焼結組織と異なる溶融相が見られ、高温による焼結相の溶解および相変態の可能性が推定される。ランプ加熱後の試料のＥＰＭＡ解析の結果、ＮｂＡｌ３の組成に非常に近い４４．５ｗｔ％Ａｌを有する相であることが分かった。
【００４３】
以上のレーザ照射およびランプ加熱による熱衝撃試験の結果、高温熱源によるＮｂＡｌ焼結体の相転移が可能であることが確認できた。またレーザー照射実験により、本材料の亀裂進展抑止機能が狙い通りに発揮されると考えられることが確認できた。
【００４４】
上述の実験に基づき、構造材料の亀裂進展抑止機能として、図１０に示すモデルおよび表１に示すエネルギーバランスを推定した。本モデルは今後、本材料の設計・評価を行う際の解析コードの開発に有用である。
【００４５】
【表１】
0004591985.tif 000004
以上より、次の結論を得た。ＮｂおよびＡｌの粉末からなる焼結体につきレーザー照射実験を行い、Ｎｂ３ＡｌおよびＮｂＡｌ３金属間化合物に相当する組成の生成を確認した。半球状の溶融ゾーン周辺部には、これを包むように球面状の亀裂が認められた。この亀裂はＡｌ相の蒸発にともなう溶融ゾーンの体積減少に起因すると考えられる。この球面状亀裂の生成は、応力集中を防ぎ亀裂が材料本体に深く進展することを防げる効果を示唆しており、亀裂進展抑止機能が狙い通り発揮されると考えられる。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の構造材料によると、通常時は、高強度材としてのＮｂと軽量構造材としてのＡｌとの複合材としての特性を併せもつが、高速物体の衝突あるいはアークを受けることなどで局所的・瞬間的に加熱されると、その部分だけでＮｂとＡｌが反応して、例えばＮｂ３ＡｌやＮｂＡｌ３等の硬くて耐熱性に優れるＮｂとＡｌの金属間化合物を局所的に生成することになるので、構造材料として良好な機械的特性（軽量、高強度、良好な加工性など）を有しながら、高速物体の衝突やアークなどによって受ける衝撃的エネルギーに対しても防護として機能することができる。Ｎｂ−Ａｌ金属間化合物は硬度が高くて耐熱性に優れると共に球面状に生成されてその周りに球面状亀裂が形成されて熱部から材料本体に熱が伝わりにくくなっているので、アークによる損傷の深さを低減させ、高速衝突物体の貫通深さを低減させ、亀裂の進展を抑止することができる。
【００４７】
また、請求項１記載の発明の場合、焼結体によって構成されるため、所望とする形状・構造に容易に成形できる。
【００４８】
また、構造材料の一部分だけをＮｂとＡｌの焼結体の層にした請求項２記載の発明によると、高速物体やアークはＮｂとＡｌの焼結体層に到達したところで、それらの影響をとどめることができる。
【００５０】
また、請求項３記載の構造材料によると、ＮｂおよびＡｌの薄板だけで構成する場合よりも容易に厚みのある板状構造材料を製造できる。
【００５１】
また、請求項４記載の構造材料によると、クラッド材の層を焼結体の層で部分的に支持しているので、ＮｂおよびＡｌの薄板だけで構成する場合よりも容易に厚みのある板状構造材料を比較的軽量に製造できる。
【００５２】
更に、請求項５の構造材料によると、外殻を成す薄板としてＮｂあるいはＡｌと反応し難い材質を採用するなど、必要に応じた選択が可能となるので、構造材料の用途に限定を受けることが少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構造材料の実施形態の一例を示し、Ｎｂ−Ａｌサンプルにレーザーを照射することで形成した溶融領域を断面した顕微鏡組織写真である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の構造材料の４つの実施形態を示す斜視図である。
【図３】レーザー照射前のＮｂ−ＡｌサンプルのＥＰＭＡ解析の結果を示す図である。
【図４】レーザー照射後のＮｂ−Ａｌサンプルを示す写真である。
【図５】レーザー照射後のＮｂ−Ａｌサンプルの溶融領域を拡大して示す写真である。
【図６】レーザー照射後のＮｂ−Ａｌサンプルの溶融領域の組織を示す写真である。
【図７】レーザー照射後のＮｂ−Ａｌサンプル（Ａｌ−５０ｗｔ％Ｎｂ）のＥＰＭＡ解析の結果を示す図である。
【図８】レーザー照射後のＮｂ−Ａｌサンプル（Ａｌ−３０ｗｔ％Ｎｂ）のＥＰＭＡ解析の結果を示す図である。
【図９】Ｎｂ−Ａｌの２成分系状態図である。
【図１０】Ｎｂ−Ａｌ系材料の亀裂進展抑止モデルを示す図である。
【符号の説明】
１  構造材料
２  溶融ゾーン
３  亀裂
４  金属間化合物
１１  Ｎｂ−Ａｌの焼結体
１２  外殻薄板
１３  Ｎｂの薄板
１４  Ａｌの薄板
１５  Ｎｂ−Ａｌのクラッド材
【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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