(57)【要約】本発明は、互いにしみ込み、実際には不浸透性の本体を共に形成し、境界面上で互いに接触する、セラミックマトリックスと少なくとも１つの金属相とを含む金属セラミック複合材料に関する。複合材料は、境界面の形状が針状であり、金属相およびセラミックマトリックスが針状境界面によってかみ合っていることを特徴とする。さらに、少なくとも１つの金属相によって充てんされた管状チャネルが、複合材料を貫通する。
2004532353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに混ざり合い、ほとんど完全に密な本体を共に形成し、境界面で互いに接触している、セラミックマトリックス（５）と少なくとも１つの金属相（９）とを有する金属セラミック複合材料であって、
前記境界面の形状が針状であり、
前記金属相（９）および前記セラミックマトリックス（５）が前記針状の境界面によってかみ合い、
前記複合材料が、その内部を通る管状チャネル（７）を有し、
前記管状チャネルは、少なくとも１つの金属相（９）によって充てんされていることを特徴とする金属セラミック複合材料。
【請求項２】
前記管状チャネル（７）が本質的に互いに平行に向いていることを特徴とする請求項１に記載の金属セラミック複合材料。
【請求項３】
数組の平行な前記チャネル（７）が少なくとも１つの空間方向に通ることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属セラミック複合材料。
【請求項４】
前記チャネル（７）が、０．５ｍｍ〜２０ｍｍの直径を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属セラミック複合材料。
【請求項５】
前記針状の針（３）の長さが、１０μｍ〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属セラミック複合材料。
【請求項６】
前記金属相および前記セラミックマトリックスが、共に３次元的に連結することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属セラミック複合材料。
【請求項７】
前記セラミックマトリックスが、ムライトまたはシリケートからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属セラミック複合材料。
【請求項８】
前記金属相が、アルミニウムまたはマグネシウムまたはこれらの金属の合金からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属セラミック複合材料。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合材料からなる、特に電気配線機器用のヒートシンクであって、熱エネルギが作用する表面から冷却媒体に向かって通る、チャネル（７）を備えることを特徴とするヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求項１の前文による金属セラミック複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、金属セラミック複合材料からなるシリンダーライナーを開示している。このシリンダーライナーは、従来の方法でセラミック粉末およびセラミック繊維から多孔性セラミックプリフォームを製造し、次いでこのプリフォームに液体金属を浸透させることによって組み立てられる。このようにして形成されたシリンダーライナーは、次いでコアとして鋳型の中に挿入され、次いで鋳造液体金属によって取り囲む。その結果生じる構成部品は、ライナーの領域内が複合材料によって局所的に補強されたシリンダージャケットである。
【０００３】
このタイプの複合材料の欠点は、プリフォームと金属相との間の微視的な結合である。複合材料においては、セラミックプリフォームは、複合材料のマトリックスとして知られているものを形成する。マトリックスの表面と金属相（境界面）との間に最適とは言えないぬれがあるのは、理論的な材料強度が達成されていないということである。さらに、このタイプの複合材料は、セラミックマトリックスによって決まるすべての体積方向において脆性破壊特性を有し、金属相によって満足に補うことができない。
【０００４】
このタイプの複合材料のさらなる欠点は、金属と比べて熱伝導率が低いことから、おのずと明らかである。内燃機関部分または電気配線機器部分における適用形態では、これにより熱の蓄積が生じ、したがって多くの場合、構成部品が故障することとなる。
【０００５】
【特許文献１】
欧州特許出願公開第７３９  ６６８  号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、先行技術と比べて、セラミックマトリックスと金属相との間に改良された結合を有し、より高い延性および熱伝導率によってその違いが識別される金属セラミック複合材料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本目的の解決策は、特許請求項１による金属セラミック複合材料にある。
【０００８】
本発明による金属セラミック複合材料（複合材料）は、少なくとも１つの金属相とセラミックマトリックスとを備える。複合材料は、液体金属を浸透させたセラミックプリフォームによって形成される。セラミックマトリックスの表面は、浸透され、かつケイ化物となった後に金属が噛み合う針状構造を有する。以下、この表面をマトリックスと金属相との間の境界面と呼ぶ。これにより、セラミックマトリックスの金属相への結合が著しく増加し、複合材料の強度に対して有益な効果をもたらす。
【０００９】
さらにセラミックマトリックスは、その中を通る、好ましくは互いに平行に通る管状チャネルを有するように構成される。したがって、複合材料は、これらのチャネルに直角な破断点伸びがさらに増加する。同様に、これらのチャネルに沿って引張り応力または圧縮応力が、より高い弾力性により補われ得る。したがって、構成部品が自然に破損する危険性は、著しく減少する。
【００１０】
チャネルは、空間方向において、一般に１５°以下、特には１°以下のずれを有して、互いに平行に配置されることが好ましい。チャネルは、軽く波打っていてもよいが、本質的には直線状に通る。らせん状に配置されたチャネルを考えることができ、かつ有用であるが、必要とされるプロセス工学の見地からみて製造することがより複雑となる（請求項２）。
【００１１】
本発明のさらに有用な実施形態は、異なる空間方向に通る、好ましくは直角である複数の組のチャネルにある。このことにより、マトリックスの体積は、金属相に有利なように減少し、これにより、やや強度が減少する場合があるけれども、複合材料の破断点伸びは増加する（請求項３）。チャネル間の肉厚は、０．１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。
【００１２】
チャネルは、０．５ｍｍ〜２０ｍｍの直径を有することが好ましい。金属の弾力挙動が最も良く発揮されるのが、この範囲内である。個々のチャネルの厚さは、異なる場合がある（請求項４）。
【００１３】
境界面での針状構造を有する針は、通常、１０μｍ〜１０００μｍの長さを有する。特に好ましい針の長さは、２０μｍ〜３００μｍである。それより短い針ではかみ合いを生ぜず、それより長い針では切れやすくなる。針の平均直径は、０．１μｍ〜１００μｍが好ましい（請求項５）。
【００１４】
セラミック相と金属相とは、共に３次元的に結合される。チャネル内の金属相は分離されているが、チャネル間のマトリックスは多孔性であり、同様に金属相はその中に浸透している。セラミックマトリックスは、３０％〜９０％、好ましくは５０％〜７０％の多孔率を有する。これらの微細孔は、実際には金属相によって完全に充てんされている（請求項６）。
【００１５】
セラミックプリフォームは、表面で針状構造（クリスタライト）を形成する傾向のあるムライトまたはシリケートからなるか、あるいはこのタイプのクリスタライトが余り困難なく成長できることが特に好ましい（請求項７）。
【００１６】
金属であるマグネシウムおよびアルミニウムまたはそれらの合金は、本発明による複合材料として使用するのに特に適切である。それらは相対密度が低く、このことは、複合材料が軽量構造内に使用されている場合に特に有利である。さらにこれらの金属は、圧力ダイカスト法によって首尾良く鋳造することができ、このことにより、好都合なことに多孔性セラミックの浸透が促進される（請求項８）。
【００１７】
本発明による複合材料のさらに好的な適用形態が、電気配線機器の冷却に適切な、特許請求項９に記載されているヒートシンクである。このヒートシンクは、冷却媒体に向かって電子部品がその上に配置されている、表面からのチャネルを有する。これらのチャネルは、高い熱伝導率を有し、したがって、表面から冷却媒体へ急速な熱伝達をもたらす。
【００１８】
本発明の好適な例示的実施形態を以下に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、１：２５０の縮尺で、多孔性セラミックプリフォーム１の表面の走査型電子顕微鏡画像を示している。プリフォーム１は、チャネル７とセラミックマトリックス構造５とを備えるように、既に形成されている。図１に示す抜粋は、チャネル７とセラミックマトリックス構造（マトリックス）５との間の遷移を例示している。マトリックス５の表面は、このマトリックスの体積内へと続く針状クリスタライト３を有する。その体積内において、マトリックスは、付加的な粒子状物質の部分を有し、この部分は、焼結法により針状クリスタライト３に固く結合され、極めて細かい表面にもかかわらず、マトリックス５の安定性が高くなっている。図１に例示されているセラミックマトリックスは、ムライトからなる。
【００２０】
本発明による複合材料１１を製造するために、プリフォーム１に、液体金属、好ましくはアルミニウムのキャスタブル合金（たとえばＡｌＳｉ９Ｃｕ３）またはマグネシウムのキャスタブル合金（たとえばＡＺ９１）を浸透させる。この浸透は、マトリックス５のセラミック材料が液体金属によって濡らされることにより、毛細管力を利用して行うことができる。プリフォーム１の浸透は、通常、圧力下で行われる。これは、ガス圧力による浸透という形で、または圧力ダイカストまたは高圧鋳造法を用いる浸透により実現できる。後者の２つの場合においては、プリフォームは、対応する鋳型の空洞内に導入され、支持される。鋳型（型）が閉じられ、圧力（２０ＭＰａ〜１００ＭＰａ）下で液体金属が鋳型（型）の中に押し込まれる。その工程中、鋳型（型）の空洞およびプリフォームの微細孔は液体金属で充てんされる。ケイ化物となった後、鋳型（型）が開けられ、このようにして形成された複合材料１１が取り出される。
【００２１】
複合材料の微細構造は、図２に概略的に表されている。図２は同様に、マトリックス５とチャネル７との間の遷移を示している。浸透後、境界面の針構造は保持され、その結果かみ合いが生じるので、複合材料１１の強度が増加する。実際には、チャネル７は、全て金属相９からなる。マトリックス５には同様に、金属相９が浸透している。マトリックス５と金属相９の両方が、複合材料１１全体を通じて３次元的に結合している。
【００２２】
図３および図４に提示された複合材料１１の巨視的な図では、複合材料内のチャネル７の配置を示している。図３では、チャネル７’は、互いに平行に配置され、方向を変えずに単一の方向に通っている。同様に、図４では、それぞれの場合の平行な組のチャネル７’’が互いに直角にのびている。チャネル７の断面は、さまざまな形で構成できる。丸みのある長方形のチャネル７’または丸いチャネル７’’が好ましいが、楕円形の断面も考えられる。
【００２３】
チャネルの方向についての外形は、形成されるべき構成部品の需用に依存する。図４では、チャネル７’’は、互いに接触しないが、異なる方向に通っているチャネル７間に浸透する材料のことが考慮されている。また、２つの空間方向よりも多くの空間方向に通るチャネル７または数組のチャネル７を有する複合材料も好ましいであろう。所望の場合には、空間方向の間の角度を選択することができる。
【００２４】
本発明による複合材料を、機械的な、および／または熱な、および／または摩擦負荷の非常にかかっている構成部品、特に軽金属構成部品内の補強材として使用することが特に好ましい。これらの適用形態においては、構成部品の局所的な補強材が好ましく、圧力ダイカストまたは高圧鋳造法が、複合材料１１の製造に特に適切である。鋳型の中にプリフォーム１を挿入することにより、特に大きい負荷のかかっている構成部品の領域をプリフォームで慎重に充てんすることが可能となる。
【００２５】
本発明による複合材料で補強するために好適な構成部品には、エンジンブロック、クランク軸用の軸受座、変速機室用の軸受、他の軸受または構造部、特に鋳物の軸受または構造部が含まれる。限度はあるものの、一般に、砂型鋳造法を用いて製造されるシリンダーヘッドを補強することも可能である。この場合、完成した複合材料は、鋳型の中に入れられ、外部圧力を使用することなく液体鋳造金属によって取り囲まれる。同様に、複合材料の構造は、鋳造するのではなく、たとえば、鍛造部および／または板金部および／または異なるタイプの材料の組み合わせを含む構造的な構成部品の中に組み込むことが可能である。
【００２６】
本発明による複合材料のためのさらに好的な適用形態が、図５に示されるヒートシンクの配置である。本発明による複合材料からなるヒートシンク１３には、表面に電気的に絶縁された層１５が設けられる。層１５は、高い熱伝導率を有する材料である窒化アルミニウムまたは炭化珪素からなることが好ましい。その動作が多量の熱エネルギーを生成する電気配線機器の構成部品１７が、絶縁された層１５上に取り付けられている。
【００２７】
発生した熱エネルギの放散を向上させるために、本発明によるヒートシンクは、金属相で充てんされたチャネル７が絶縁層１５から冷却媒体２１に向かって通るように構成されている。チャネル７は、アルミニウムまたはアルミニウム合金または高い熱伝導率を有する他の金属（たとえば銅）で充てんされることが好ましい。冷却媒体２１は、一般に、腐食防止添加剤を含む水からなり、矢印で示された方向にヒートシンク１３の足１９を通って流れる。足１９は、それを介して熱エネルギが冷却媒体へと放散される表面領域を増加させる働きをする。金属相９が複合材料の残りの領域より高い熱伝導率を有するので、チャネル７は、絶縁された層１５から冷却媒体２１への熱伝達を加速させる。
【００２８】
銅または純粋アルミニウムからなる従来のヒートシンクと比べた本発明によるヒートシンク１３のさらなる利点は、その膨張係数が絶縁層１５に類似して比較的低いことである。このことにより、ヒートシンク１３と絶縁層１５との間の熱応力が最小となり、最終的に構成部品の耐用期間が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】セラミックプリフォームの表面を示す図である。
【図２】マトリックスとチャネルとの間の遷移での複合材料の微細構造を概略的に表す図である。
【図３】互いに平行に走るチャネルを有する複合材料の例示を巨視的に概略的に示す図である。
【図４】異なる方向に互いに平行に走る数組のチャネルを有する複合材料を例示する巨視的な概略図である。
【図５】パワーエレクトロニクス機器とともに取り付けられたヒートシンクの配置を示す図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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