(57)【要約】【課題】合金であっても、準結晶相により、断熱性を有する。本発明は、準結晶相を有する合金の断熱性を一層向上させた断熱材料を提供する。【解決手段】ＡｌＣｕＦｅ系合金を含む断熱材料であって、前記ＡｌＣｕＦｅ系合金が、ｉ相とβ相とを有しており、前記ｉ相が準結晶相であり、前記β相が結晶相であり、かつ、前記ｉ相のＸ線回折最大ピーク強度をＩｉ、前記β相のＸ線回折最大ピーク強度をＩβとしたとき、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．７７超１未満である、断熱材料。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＣｕＦｅ系合金を含む断熱材料であって、
前記ＡｌＣｕＦｅ系合金が、ｉ相とβ相とを有しており、
前記ｉ相が準結晶相であり、
前記β相が結晶相であり、かつ、
前記ｉ相のＸ線回折最大ピーク強度をＩｉ、前記β相のＸ線回折最大ピーク強度をＩβとしたとき、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．７７超１未満である、断熱材料。
【請求項２】
前記ＡｌＣｕＦｅ系合金は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、及び不可避的不純物からなる、請求項１に記載の断熱材料。
【請求項３】
前記ＡｌＣｕＦｅ系合金は、Ｃｕ：２４〜２６原子％、及びＦｅ：１２〜１３原子％を含有し、残部をＡｌ及び不可避的不純物とする、請求項２に記載の断熱材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断熱材料、特に、一部が準結晶相である合金を含む断熱材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
断熱性を有する合金として、準結晶相を有する合金が注目されている。準結晶相とは、長距離秩序は有しているが、並進対照性はない相をいう。
【０００３】
金属及び合金の電気伝導及び熱伝導は、元来、結晶の周期性に由来している。しかし、準結晶相には完全な周期性がないため、準結晶相のみの金属又は合金は、電気伝導性及び熱伝導性が低い。
【０００４】
特許文献１には、熱拡散性の低い耐火性酸化物（ジルコニア及び安定化アルミナ）と、準結晶相を少なくとも８０体積％含むアルミニウム合金からなる熱障壁が開示されている。また、このようなアルミニウム合金として、Ａｌ６８Ｃｕ１０Ｆｅ１１Ｃｒ１１合金が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、全ての相が準結晶相である合金と、その合金からなる断熱反射体を備える加熱炉内壁が開示されている。また、このような合金の好ましい例として、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｍｎ、Ｃｅ、Ｓｉ及びＰｄの１種及び２種以上を５〜４５原子％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる合金が開示されている。さらに、実施例として、Ａｌ７０Ｃｏ１０Ｆｅ１３Ｃｒ７合金、及びＡｌ６５Ｃｕ１９Ｆｅ８Ｃｒ８合金が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−３３５９号公報
【特許文献２】特開２００２−３１０５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１及び２に開示される合金のいずれも、断熱性については、さらなる改善が必要であることが課題であった。
【０００８】
本発明は、準結晶相を有する合金の断熱性を一層向上させた断熱材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の要旨は次のとおりである。
〈１〉ＡｌＣｕＦｅ系合金を含む断熱材料であって、
前記ＡｌＣｕＦｅ系合金が、ｉ相とβ相とを有しており、
前記ｉ相が準結晶相であり、
前記β相が結晶相であり、かつ、
前記ｉ相のＸ線回折最大ピーク強度をＩｉ、前記β相のＸ線回折最大ピーク強度をＩβとしたとき、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．７７超１未満である、断熱材料。
〈２〉前記ＡｌＣｕＦｅ系合金は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、及び不可避的不純物からなる、〈１〉項に記載の断熱材料。
〈３〉前記ＡｌＣｕＦｅ系合金は、Ｃｕ：２４〜２６原子％、及びＦｅ：１２〜１３原子％を含有し、残部をＡｌ及び不可避的不純物とする、〈２〉項に記載の断熱材料。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、準結晶相を有する合金に、僅かな結晶相を存在させることにより、その合金の断熱性を一層向上させることができる。そして、その合金を含む、断熱性を一層向上させた断熱材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）と熱伝導率の関係を示す図である。
【図２】表１における試料番号１〜３のＸ線回折結果を示す図である。
【図３】表１における試料番号４のＸ線回折結果を示す図である。
【図４】表１における試料番号５のＸ線回折結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る断熱材料の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１３】
（ｉ相とβ相）
ＡｌＣｕＦｅ系合金は、平衡状態において、その温度と組成により、ｉ相単相領域、β相単相領域、ｉ相とβ相の共存領域等を有する。
【００１４】
平衡状態において、ＡｌＣｕＦｅ系合金は、Ｃｕの含有量を減少させていくと、β相単相から、ｉ相とβ相の二相共存相になり、やがては、ｉ相単相になる。
【００１５】
ｉ相は準結晶相であり、β相は結晶相である。室温におけるｉ相の熱伝導率は１．１Ｗ／ｍＫである。室温におけるβ相の熱伝導率は２．５Ｗ／ｍＫである。
【００１６】
このように、準結晶相の熱伝導率が、結晶相の熱伝導率よりも小さいことはよく知られている。
【００１７】
（ｉ相とβ相の共存相）
本発明のＡｌＣｕＦｅ系合金は、ｉ相とβ相の二相が共存した状態で存在する。ｉ相とβ相が二相で共存するとき、仮にｉ相とβ相が相互に影響しなければ、ｉ相とβ相の共存相の特性を表す物性値は、ｉ相単相が有する特性についてはｉ相の存在割合の分だけ、β相単相が有する特性についてはβ相の存在割合の分だけ、反映された値となる。
【００１８】
しかし、ｉ相とβ相の共存相においては、ｉ相の存在割合以上に、ｉ相とβ相の共存相の熱伝導率が小さくなることを、本発明者らは見出した。さらに、ｉ相が一定割合を超えるときは、ｉ相単相のときよりも、熱伝導率が小さくなることを、本発明者らは見出した。
【００１９】
これは、ｉ相とβ相の二相が共存する場合、ｉ相とβ相が、それぞれの熱伝導特性を発揮するに留まらず、ｉ相とβ相の界面で熱が散乱するためと考えられる。したがって、ｉ相とβ相の二相共存相においては、ｉ相の存在割合以上に、熱伝導率が小さくなる。
【００２０】
（Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）：０．７７超１未満）
ｉ相とβ相の二相が共存する場合であって、ｉ相のＸ線回折最大ピーク強度をＩｉ、β相のＸ線回折最大ピーク強度をＩβとしたときのＩｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が一定値を超えると、熱の散乱が一層顕著になり、ｉ相よりも熱伝導率が小さくなると考えられる。即ち、ｉ相に僅かにβ相を存在させたとき、上述した熱の散乱が一層顕著になり、ｉ相よりも熱伝導率が小さくなると考えられる。なお、Ｉｉは、ｉ相の回折角（２θ）が４２．９度におけるＸ線強度である。Ｉβは、β相の回折角（２θ）が４３．５度におけるＸ線強度である。
【００２１】
本発明の断熱材料に含まれるＡｌＣｕＦｅ系合金のＩｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）は、０．７７超１未満である。Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．７７超１未満であれば、上述した熱の散乱が一層顕著になり、熱伝導率はｉ相単相よりも小さくなる。より好ましいＩｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）は、０．８０、０．８５、又は０．８７以上であって、０．９６、０．９８、又は０．９９以下である。
【００２２】
上記の限定理由を図面を用いてさらに説明する。図１は、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）と熱伝導率の関係を示す図である。
【００２３】
縦軸は熱伝導率を示し、横軸はＩｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）の値を示す。太実線は、実測値を近似線で結んだ線である。Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０のときとは、β相単相のときである。一方、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が１のときとは、ｉ相単相のときである。図１において、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０のときと、１のときとを結んだ細実線は、仮にｉ相とβ相が相互に影響しない場合に予想される熱伝導率の変化を示す線である。
【００２４】
Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）は、ｉ相の存在割合と密接に関係がある。そうすると、図１の太実線から明らかなように、ｉ相とβ相が共存する場合には、ｉ相の存在割合以上に熱伝導率は小さくなるといえる。そして、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．７７超１未満のときの熱伝導率は、ｉ相単相の熱伝導率より小さくなる。これは、上述したように、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．７７を超えるときは、ｉ相とβ相の界面での熱の散乱が一層顕著になるからである。そして、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．９６となるあたりから、この熱の散乱は、再び、穏やかになる。
【００２５】
（ＡｌＣｕＦｅ系合金以外の含有物）
本発明の断熱材料は、本発明の効果を損なわない範囲で、他の合金及び／又は酸化物を含んでもよい。他の合金については、例えば、断熱性を損なわない合金、即ち、ＡｌＣｕＦｅ系合金以外の準結晶相を有する合金を含んでもよい。酸化物については、例えば、断熱性を有する、シリカ、アルミナ、マグネシア、及びジルコン等を含んでもよい。
【００２６】
（ＡｌＣｕＦｅ系合金の組成）
Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、及び不可避的不純物を含有し、ｉ相とβ相の関係が、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）で０．７７超１未満を満足すれば、ＡｌＣｕＦｅ系合金の組成は、特に限定されるものではない。Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．７７超１未満になる、Ａｌ、Ｃｕ及びＦｅそれぞれの含有量範囲は、ＡｌＣｕＦｅ系合金の製造条件によって異なる。次に述べる含有量範囲は、好適範囲を示すものである。
【００２７】
（Ｃｕ：２４〜２６原子％）
Ｃｕの含有量は２４〜２６原子％とすることが好ましい。Ｃｕの含有量が２４原子％以上であると、ｉ相を発現しやすくなり、ｉ相とβ相の共存相が存在し易くなる。一方、Ｃｕの含有量が２６原子％以下であれば、β相単相になり難く、ｉ相とβ相の共存相を維持しやすい。
【００２８】
（Ｆｅ：１２〜１３原子％）
Ｆｅの含有量は１２〜１３％とすることが好ましい。Ｆｅの含有量が１２原子％以上であると、ｉ相を発現しやすくなり、ｉ相とβ相の共存相が存在し易くなる。一方、Ｆｅの含有量が１３原子％以下であれば、β相単相になり難く、ｉ相とβ相の共存相を維持しやすい。
【００２９】
（残部：Ａｌ及び不可避的不純物）
ＡｌＣｕＦｅ系合金はＡｌを基本とする合金であり、Ｃｕ及びＦｅを上記の範囲にしたとき、Ａｌが残部となる。残部には、不可避に含有する不純物元素を含んでもよい。この不可避的不純物は、１原子％以下とすることが好ましい。また、不可避的不純物元素として代表的な元素は、Ｏである。
【００３０】
（Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｓｉ、及び希土類元素から選択した１種以上）
本発明のＡｌＣｕＦｅ系合金は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ及び不可避的不純物の他に、さらに、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｓｉ、及び希土類元素から選択した１種以上を含有してもよい。これらの元素を含有しても、本発明の効果を損なわないからである。
【００３１】
（Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｓｉ、及び希土類元素の含有量の合計が０原子％超１０％以下）
Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ及び不可避的不純物の他に、さらに、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｓｉ、及び希土類元素から選択した１種以上を含有する場合には、これらの元素の含有量の合計を、０原子％超１０％以下とすることが好ましい。この範囲であれば、断熱性以外の特性も、劣化することはないからである。
【００３２】
（本発明のＡｌＣｕＦｅ系合金の製造方法）
ｉ相とβ相の関係が、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）で０．７７超１未満を満足すれば、ＡｌＣｕＦｅ系合金の製造方法は特に限定されるものではないが、好ましい製造方法は次のとおりである。
【００３３】
（固相拡散法）
固相拡散法は、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、及びＦｅ粉末を混合して加熱する方法である。Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、及びＦｅ粉末は、ＡｌＣｕＦｅ系合金になったとき、所望の組成になるように秤量し、混合する。
【００３４】
加熱温度は、Ａｌ、Ｃｕ及びＦｅが相互に拡散する温度であれば、特に制限はない。６７０〜７５０℃が好ましい。６７０℃以上であれば、Ａｌ粉末が溶融し、Ａｌ溶液中に存在する固相のＣｕ及びＦｅが、Ａｌ、Ｃｕ及びＦｅ間で、相互に、効率よく拡散する。一方、７５０℃以下であれば、生成したＡｌＣｕＦｅ合金の結晶粒が粗大化することはない。６９０〜７１０℃がより好ましい。
【００３５】
Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、及びＦｅ粉末の粒径は、Ａｌ、Ｃｕ及びＦｅそれぞれが相互に拡散すれば、特に限定はされないが、Ａｌ粉末の粒径は１〜５μｍ、Ｃｕ粉末の粒径は０．５〜３μｍ、及びＦｅ粉末の粒径は３〜７μｍとすることが好ましい。Ａｌ粉末の粒径が１μｍ以上であれば、僅かな酸素でＡｌ粉末が酸化されることはない。一方、Ａｌ粉末の粒径が５μｍ以下であれば、加熱時に、Ａｌ粉末が速やかに溶融する。Ｃｕ粉末の粒径が０．５μｍ以上であれば、僅かな酸素でＣｕ粉末が酸化されることはない。一方、Ｃｕ粉末の粒径が３μｍ以下であれば、加熱時に、Ａｌ、Ｃｕ及びＦｅが相互に拡散しやすい。Ｆｅ粉末の粒径が３μｍ以上であれば、僅かな酸素でＦｅ粉末が酸化されることはない。一方、Ｆｅ粉末の粒径が７μｍ以下であれば、加熱時に、Ａｌ、Ｃｕ及びＦｅが相互に拡散しやすい。Ａｌ粉末の粒径は２〜４μｍ、Ｃｕ粉末の粒径は０．５〜２μｍ、及びＦｅ粉末の粒径は４〜６μｍであることが好ましい。
【００３６】
加熱中のＡｌ粉末、Ｃｕ粉末及びＦｅ粉末の酸化を防止するため、還元性雰囲気で加熱することが好ましい。水素雰囲気とすることがより好ましい。また、雰囲気圧力は、Ａｌ、Ｃｕ及びＦｅそれぞれが相互に拡散すれば、特に限定はされないが、０．９〜１．１気圧であることが好ましい。０．９気圧以上であれば、加熱容器中に空気が多量に侵入して、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、及びＦｅ粉末が酸化することはない。一方、１．１気圧以下であれば、加熱容器を耐圧容器とすることなく、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、及びＦｅ粉末を加熱することができる。０．９５〜１．０５気圧であることがより好ましい。
【００３７】
加熱時間は、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、及びＦｅ粉末の量により適宜決定すればよい。３０分〜３時間が好ましい。３０分以上であれば、Ａｌ、Ｃｕ及びＦｅそれぞれの相互拡散が始まる。一方、３時間以下であれば、Ａｌ、Ｃｕ及びＦｅそれぞれの相互拡散が終了した後、無駄に加熱し続けることはない。１．５〜２．５時間がより好ましい。
【００３８】
ＡｌＣｕＦｅ系合金が、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｓｉ、及び希土類元素から選択した１種以上を含有する場合には、それらの元素の粉末を、所望の組成になるように、さらに加え、混合し、加熱する。これらの元素の粉末の粒径は、それぞれの元素の拡散性に応じて適宜決定すればよいが、０．５〜７μｍとすることが好ましい。０．５μｍ以上であれば、僅かな酸素でＣｕ粉末がこれらの元素が酸化されることはない。一方、７μｍ以下であれば、加熱時に、これらの元素と、Ａｌ、Ｃｕ及びＦｅとが相互に拡散しやすい。
【００３９】
（加熱分解法）
加熱分解法は、ｉ相単相材料を加熱して、ｉ相とβ相に分解する方法である。分解温度は、ｉ相単相材料をｉ相とβ相とに分解することができる温度であれば特に制限はないが、８５０〜９５０℃が好ましい。８５０℃以上であれば、ｉ相単相が、ｉ相とβ相に分解し易い。一方、９５０℃以下であれば、分解して生成したｉ相及びβ相の結晶粒が粗大化することはない。８８０〜９２０℃がより好ましい。
【００４０】
加熱時間は、ｉ相単相材料の量により適宜決定すればよい。３０分〜１０時間が好ましい。３０分以上であれば、分解が始まる。一方、１０時間以下であれば、分解が終了した後、無駄に加熱し続けることはない。３０分〜２時間がより好ましい。
【００４１】
（その他の製造方法）
上記の固相拡散法及び加熱分解法は、本発明の断熱材料を、断熱材料単体として製造する場合に好適である。本発明の断熱材料を、薄膜として製造する場合には、スパッタリング法又は溶射法が好適である。どのような製造方法で製造しても、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．７７超１未満であれば、本発明の効果を奏する。
【００４２】
（スパッタリング法）
スパッタリング法で本発明の断熱材料の薄膜を得る場合には、Ａｌ薄膜、Ｃｕ薄膜、及びＦｅ薄膜を順次成膜し、焼成する。
【００４３】
（溶射法）
溶射法で本発明の断熱材料の薄膜を得る場合には、Ａｌ、Ｃｕ、及びＦｅの粒子を同時に溶射する。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明を実施例により、さらに具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。
【００４５】
（試料の製作）
所望の組成になるように、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、及びＦｅ粉末を秤量して容器に収納した。Ａｌ粉末の粒径は３μｍ、Ｃｕ粉末の粒径は１μｍ、及びＦｅ粉末の粒径は５μｍとした。
【００４６】
容器に収容したＡｌ粉末、Ｃｕ粉末、及びＦｅ粉末を、１気圧の水素雰囲気中で、２時間加熱し、焼成して、試料とした。
【００４７】
（試料の評価）
製作した試料それぞれを、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ  Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分析し、熱伝導率測定した。
【００４８】
結果を表１に示す。表１には、加熱温度、組成を併記した。また、図２は、表１における試料番号１〜３のＸ線回折結果を示す図である。図３は、表１における試料番号４のＸ線回折結果を示す図である。図４は、表１における試料番号５のＸ線回折結果を示す図である。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
図２から明らかなように、全てがｉ相である試料番号３のＸ線回折結果には、ｉ相のピークだけ認められる。また、図３から明らかなように、全てがβ相である試料番号４のＸ線回折結果には、β相のピークだけが認められる。一方、図２及び図４から明らかなように、試料番号１、２及び５のＸ線回折結果には、ｉ相とβ相の両方のピークが認められる。これらの結果をまとめたものが、表１である。
【００５１】
表１から明らかなように、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．７７超１未満である試料番号１及び２の熱伝導率は、いずれも、全てがｉ相（Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が１）である試料番号３の熱伝導率よりも小さい。
【００５２】
一方、ｉ相とβ相が共存するものの、Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が０．７７超１未満ではない試料番号５の熱伝導率は、全てがｉ相である（Ｉｉ／（Ｉβ＋Ｉｉ）が１である）試料番号３の熱伝導率よりも大きい。
【００５３】
以上の結果から、本発明の効果を確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明によれば、合金に充分な断熱性を与えることができ、その結果、その合金を含む、断熱性を一層向上させた断熱材料を提供することができる。したがって、本発明は、産業上の利用可能性が大きい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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