(57)【要約】【課題】剛性および強度の高い多孔質複合材およびその製造方法を提供する。【解決手段】多孔質複合材は、金属のマトリックスと金属のマトリックスに均一に分散したセラミック粒子とを含む金属基複合材料からなり、多孔質状に形成された多孔質複合材であって、金属のマトリックスに対するセラミック粒子の含有率が２０体積％以上である。その製造方法は、熔融金属とセラミック粒子とが混合された混合材料２０を生成する混合材料生成工程と、混合材料２０に不活性ガスを導入しつつ、混合材料２０を攪拌する攪拌工程と、を有し、攪拌工程では、混合材料２０の容器２内に設置された障害部材９に対して、混合材料２０を衝突させて攪拌を行う。障害部材９に衝突した混合材料２０中では、粒子の解砕が促進されるため高充填の多孔質複合材を製造することができる。【選択図】図３
2009007628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属のマトリックスと前記金属のマトリックスに均一に分散したセラミック粒子とを含む金属基複合材料からなり、多孔質状に形成された多孔質複合材であって、
前記金属のマトリックスに対する前記セラミック粒子の含有率が２０体積％以上であることを特徴とする多孔質複合材。
【請求項２】
気孔率が６０％以上であることを特徴とする請求項１記載の多孔質複合材。
【請求項３】
平均気孔径が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の多孔質複合材。
【請求項４】
前記セラミック粒子は、４Ａ族元素、３Ｂ族元素、および４Ｂ族元素の元素群から選択された少なくとも１種の窒化物、酸化物、硼化物または炭化物からなることを特徴とする請求項１から請求項３記載の多孔質複合材。
【請求項５】
前記セラミック粒子の平均粒径が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の多孔質複合材。
【請求項６】
熔融金属とセラミック粒子とが混合された混合材料を生成する混合材料生成工程と、
前記混合材料に不活性ガスを導入しつつ、前記混合材料を攪拌する攪拌工程と、を有し、
前記攪拌工程では、前記混合材料の容器内に設置された障害部材に対して、前記混合材料を衝突させて攪拌を行うことを特徴とする多孔質複合材の製造方法。
【請求項７】
前記混合材料生成工程において、セラミック粒子の充填率が４０体積％以上の金属基複合材料のインゴットを用いて前記混合材料を生成することを特徴とする請求項６記載の多孔質複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、剛性および強度の高い多孔質複合材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属の内部に小さな空洞を含む材料として金属多孔体が提供されている。金属多孔体は、一般の緻密な金属材料に比べると単位体積あたりの質量が極めて軽いことから、自動車の軽量材やエネルギー吸収性に優れた衝撃吸収材として幅広い活用が期待されている。また、オイルミスト用のトラップなどフィルタとしての用途もある。
【０００３】
このような金属多孔体の一種として、金属マトリックスにセラミック粒子を分散させて形成された金属発泡体が提案されている（特許文献１および２参照）。特許文献１に記載される金属発泡体の製法は、熔融体中に発泡用ガスを供給し、熔融体を発泡させ熔融体表面上の金属発泡体を集めて、これを取り出して固化させる。このようにして、母材金属が炭化ケイ素粒子で補強されたアルミニウム合金であり、気泡壁の厚さが１０μｍ〜２０μｍである金属発泡体を製造している。
【０００４】
特許文献２に記載される発泡金属の製造方法では、金属マトリックスと２５体積％のセラミック粒子の複合体を金属マトリックスの液相線以上に加熱し、攪拌しながら不活性ガス等を用いて熔融した複合体内に気泡を形成し、この発泡した熔融物を熔融物の固相線温度以下に冷却して複数の閉じたセルを有する固体発泡金属を形成する。このようにして、複数のセルが分散された金属マトリックスとマトリックス内に分散されたセラミック粒子とからなる金属発泡体を製造している。
【特許文献１】特開平４−５０６８３５号公報
【特許文献２】特開平５−５００３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、金属多孔体は気孔率が高くなると機械的特性が低下する。金属で多孔体を形成すると材料そのものの剛性が低く、さらに金属の充填率が低いことから、多孔体の剛性は低くなる。また、強度についても同様に低くなる。
【０００６】
これに対し、機械的特性の向上方法として、上記の特許文献記載のような金属とセラミックス等との複合化が考えられるが、セラミックスを複合化するためには複雑な工程が必要となり、複合化の際、セラミックスが凝集して不均一化が起こる場合がある。また、高い剛性や強度を実現するためには、最終的に生成される多孔質複合材のセラミック粒子の充填率がある程度以上必要である。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、剛性および強度の高い多孔質複合材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る多孔質複合材は、金属のマトリックスと前記金属のマトリックスに均一に分散したセラミック粒子とを含む金属基複合材料からなり、多孔質状に形成された多孔質複合材であって、前記金属のマトリックスに対する前記セラミック粒子の含有率が２０体積％以上であることを特徴としている。
【０００８】
このように、本発明の多孔質複合材では、金属のマトリックスに対してセラミック粒子が２０体積％以上含まれているため、セラミックスの充填率が高く、全体の剛性および強度が高い。その結果、本発明の多孔質複合材を、高い剛性や強度が要求されるフィルタ等に使用することができる。
【０００９】
（２）また、本発明に係る多孔質複合材は、気孔率が６０％以上であることを特徴としている。これにより、多孔質複合材は軽量になる。また、たとえばフィルタとして多孔質複合材を使用する場合には、通気性が高くすることができる。
【００１０】
（３）また、本発明に係る多孔質複合材は、平均気孔径が１ｍｍ以上であることを特徴としている。これにより、たとえばフィルタとして多孔質複合材を使用する場合には、通気性が高くすることができる。
【００１１】
（４）また、本発明に係る多孔質複合材は、前記セラミック粒子は、４Ａ族元素、３Ｂ族元素、および４Ｂ族元素の元素群から選択された少なくとも１種の窒化物、酸化物、硼化物または炭化物からなることを特徴としている。
【００１２】
これにより、セラミック粒子が安定で強度の高いものとなり、多孔質複合材の強度が向上する。また、これらの元素からなるセラミックスは容易に材料を調達できる。たとえば、セラミック粒子として、窒化アルミニウム、アルミナ、炭化ケイ素またはシリカを使用することができる。
【００１３】
（５）また、本発明に係る多孔質複合材は、前記セラミック粒子の平均粒径が１０μｍ以上であることを特徴としている。セラミック粒子の平均粒径を１０μｍ以上とすることにより、製造工程において、金属の熔液中でセラミック粒子が凝集し難くなる。その結果、多孔質複合材中で、セラミック粒子が金属のマトリックス中に均一に分散し易くなり、機械的特性を均一化し、全体の機械特性を向上させることができる。
【００１４】
（６）また、本発明に係る多孔質複合材の製造方法は、熔融金属とセラミック粒子とが混合された混合材料を生成する混合材料生成工程と、前記混合材料に不活性ガスを導入しつつ、前記混合材料を攪拌する攪拌工程と、を有し、前記攪拌工程では、前記混合材料の容器内に設置された障害部材に対して、前記混合材料を衝突させて攪拌を行うことを特徴としている。
【００１５】
このように本発明の多孔質複合材の製造方法では、障害部材に対して混合材料を衝突させて混合材料の攪拌を行う。障害部材に衝突した混合材料内では、粒子の解砕が促進され、ガスがセラミック粒子を積極的に巻き込んで上昇する。すなわち、混合材料の障害部材への衝突により、凝集されていた粒子が解砕されて微細化され、ガスが微細化された粒子を巻き込む作用が促進される。このようにして形成された上澄みを取り出すことにより高充填の多孔質複合材を製造することができる。
【００１６】
（７）また、本発明に係る多孔質複合材の製造方法は、前記混合材料生成工程において、セラミック粒子の充填率が４０体積％以上の金属基複合材料のインゴットを用いて前記混合材料を生成することを特徴としている。このように充填率の高いインゴットを使用することにより、最終的に作製される多孔質複合材のセラミックス充填率を高くし、高剛性および高強度の多孔質複合材を製造することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、多孔質複合材のセラミックスの充填率を高くし、全体の剛性および強度が高くすることができる。そして、多孔質複合材を高い剛性や強度が要求されるフィルタ等に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（多孔質複合材の構成）
本発明に係る多孔質複合材は、金属のマトリックスとセラミック粒子とを含む金属基複合材料からなり、多孔質状に形成された多孔質複合材である。金属のマトリックスには、たとえばアルミニウム、アルミニウム合金、またはシリコン等を用いることができる。
【００１９】
金属のマトリックス内には、均一にセラミック粒子が分散しており、多孔質複合材の金属のマトリックスに対するセラミック粒子の含有率は２０体積％以上である。多孔質複合材のセラミックスの充填率が高いため、多孔質複合材全体の剛性および強度が高い。したがって、多孔質複合材を高い剛性や強度が要求されるフィルタ等に使用することができる。
【００２０】
セラミック粒子の平均粒径は１０μｍ以上であることが好ましい。セラミック粒子の平均粒径を１０μｍ以上とすることにより、製造工程において、セラミック粒子が金属のマトリックス中に均一に分散し易くなり、機械的特性を均一化し、全体の機械特性を向上させることができる。また、セラミック粒子は、４Ａ族元素、３Ｂ族元素、および４Ｂ族元素の元素群から選択された少なくとも１種の窒化物、酸化物、硼化物または炭化物からなるのが好ましい。たとえば、セラミック粒子として、窒化アルミニウム、アルミナ、炭化ケイ素またはシリカを使用することができる。
【００２１】
また、多孔質複合材の気孔率は６０％以上であることが好ましい。気孔率を６０％以上とすることで、多孔質複合材は軽量になる。また、たとえばフィルタとして多孔質複合材を使用する場合には、気孔率を上げることで通気性を高め、圧力損失を減少させることができる。また、多孔質複合材の平均気孔径は、１ｍｍ以上とすることができる。これにより、たとえば多孔質複合材をフィルタとして用いた場合の通気性を高め、圧力損失を減少させることができる。
【００２２】
（多孔質複合材の製造装置）
このように構成された多孔質複合材を製造するためには、熔融金属とセラミック粒子とが混合された混合材料に不活性ガスを導入しつつ、混合材料を攪拌する必要がある。このときに、混合材料の容器内に障害部材を設置しておき、混合材料を障害部材に衝突させて攪拌を行う。このような工程を行うための多孔質複合材の製造装置（以下、製造装置という）の一例を以下に説明する。
【００２３】
図１は、製造装置１の構成を示す正面図であり、図２は、図１の平面ＡＡ’を矢印の向きに見た製造装置１の断面図である。製造装置１は、熔融るつぼ２、攪拌装置３から構成されている。熔融るつぼ２は、マトリックスとなる金属の熔液を入れて攪拌する容器である。図１では、熔融るつぼ２の断面図により熔融るつぼ２の内部を示している。
【００２４】
攪拌装置３は、固定部５、動力部６、シャフト７、攪拌羽８（攪拌部）、ジャマ板９（障害部材）から構成されている。固定部５は、攪拌羽８を熔融るつぼ２の底から離して、攪拌装置３を固定する。動力部６は、内部にモータを有し、シャフト７の一端にモータの動力を伝えることでシャフト７を回転させる。また、動力部６には、不活性ガス２１の供給源１１から不活性ガス２１がガス管１０により導入されており、さらにシャフト７内部の不活性ガス導入路７ａに不活性ガス２１を送出するコネクタとしても機能している。使用する不活性ガス２１は窒素Ｎ２もしくはアルゴンＡｒが好ましい。キセノンなどの不活性ガス２１は高価であることから、上記２種類が好適である。ただし、窒素は高温下でアルミニウムと反応しＡｌＮを発生することもあるため、アルゴンが好ましい。
【００２５】
シャフト７は、一端が動力部６に保持され、他端が攪拌羽８に接合されている。攪拌羽８は、シャフト７が回転することで回転し、熔液とセラミック粒子からなる混合材料２０を攪拌する。シャフト７および攪拌羽８の内部には不活性ガス導入路７ａが設けられており、不活性ガス２１を混合材料２０内に導入することが可能となっている。ジャマ板９は、一端を固定部５に連結された耐熱性を有する板状の障害部材である。ジャマ板９は、攪拌羽８を中心として両側に位置するように熔融るつぼ２内に設けられている。なお、障害部材は混合材料２０が攪拌により衝突し粉末の解砕が促進されるものであれば、板形状である必要はなく形状は限定されない。また、金属の熔液に浸漬させるシャフト７、攪拌羽８およびジャマ板９は、いずれもカーボン等の十分な耐熱性を有する材料により形成されている。
【００２６】
（多孔質複合材の製造方法）
上記の製造装置１を用いて多孔質複合材を製造する方法を以下に説明する。まず、熔融金属とセラミック粒子とが混合された混合材料２０を生成する（混合材料生成工程）。あらかじめセラミック粒子の充填率が高いインゴットを準備しておくと多孔質複合材の製造が容易になる。以下に、アルミニウム中にセラミック粒子を高圧浸透させたインゴットを用いる例を製造方法の一例として説明する。
【００２７】
セラミック粉末とアルミニウム熔液は濡れ性が悪く、前準備なく混合してもセラミック粉末を均一に分散させることは困難である。そのため、あらかじめ、高圧浸透でアルミニウムとセラミックスの複合材のインゴットを作製しておく。高圧浸透は、アルミニウム熔液に圧力をかけ、アルミニウム熔液をセラミック粉末に流し込むことにより行う。準備するインゴットとしては、セラミック充填率の高いものが好ましく、特にセラミック粒子の充填率が４０体積％以上の金属基複合材料のインゴットが好ましい。充填率の高いインゴットを使用することにより、最終的に生成される多孔質複合材のセラミックス充填率を高くすることができる。そのインゴットを再度加熱して熔融し、混合材料２０を生成する。
【００２８】
使用するセラミック粉末（セラミック粒子）の平均粒子径は１０μｍ以上が好ましい。セラミック粉末の平均粒子径が１０μｍ以下である場合には、セラミック粉末をアルミニウム熔液に混入させて攪拌しても大きな凝集体が発生し易い。その結果、多孔質複合材を作製した際にセラミック粉末がアルミニウム中に均一に分散したものとならず、機械的特性の不均一化を招く。平均粒子径が１０μｍ以上のセラミック粉末を使用することにより、アルミニウム内にセラミックス粒子を分散させて多孔体を作製することができ、高剛性、高強度のアルミニウム−セラミックス複合材からなる多孔質複合材を提供できる。
【００２９】
次に、混合材料２０に不活性ガス２１を導入しつつ、混合材料２０を攪拌する（攪拌工程）。図３は、製造装置１により多孔質複合材を製造する態様を示す部分断面正面図である。図３では、熔融るつぼ２、混合材料２０、シャフト７および攪拌羽８を断面で示している。図３に示すように、アルミニウム熔液に不活性ガス２１を吹き込み、撹拌を行うと、不活性ガス２１がアルミニウム熔液中に含まれるセラミック粉末（セラミック粒子）を巻き込んで発泡しながら浮上する。そして、浮上した部分の温度が低下し硬化することにより、混合材料２０の上澄みにアルミニウム−セラミックス複合多孔体が形成される。なお、図３に示す不活性ガス２１は、模式的に表現したものである。なお、不活性ガスのガス圧等を変化させることにより、多孔質複合材の平均気孔径を調整することが可能である。本発明の多孔質複合材の製造方法によれば、従来に比べ平均気孔径を大きくすることが容易である。
【００３０】
攪拌の際、攪拌羽８を挟んだ両側にジャマ板９を設けるのが好ましい。ジャマ板９に攪拌された混合材料２０を衝突させることにより、セラミック粉末の解砕が促進され、セラミック粒子がガスにより積極的に巻き込まれて上昇する。すなわち、ジャマ板９によって凝集されていた粉末が解砕されて微細化されることにより、粒子がガスに巻き込まれる作用が促進される。さらに、ジャマ板９にセラミック粉末に衝突することにより、均一にセラミックス粒子が分散される。その結果、多くのセラミック粉末が多孔質体に取り込まれ、セラミックスが高充填された多孔質複合材を得ることができる。以下、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
【実施例】
【００３１】
金属のマトリックスとしてアルミニウム合金を用い、セラミック粉末（セラミック粒子）として炭化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウムの粉末を用いた。アルミニウム合金として、鋳造性がよく、破壊靱性が優れ、強度が高い材料（ＡＣ４Ａ）を用いた。炭化ケイ素の粉末には、市販の粒度＃８００のＳｉＣ粉末を使用した（実施例１）。アルミナの粉末には、市販の粒度＃８００のＡｌ２Ｏ３粉末を使用した（実施例２）。窒化アルミニウムには、市販の平均粒径２３．５μｍのＡｌＮ粉末を使用した（実施例３）。
【００３２】
金属のマトリックスとセラミック粉末との混合はセラミック粉末に８００℃で熔解したアルミニウム合金を流し込み、１０．０ＭＰａの圧力で加圧してアルミニウムを浸透させた。これによりセラミックスの充填率が５０％になるインゴットを作製した。これを８００℃で再熔解した。
【００３３】
不活性ガス２１としてＡｒを混合材料２０中に導入した。流量は２０リットル／ｍｉｎとした。熔融るつぼ２内での混合材料２０の攪拌はカーボン製の攪拌羽８を用いた。攪拌羽８を中心として両側にカーボン製のジャマ板９を設けた。このようにしてセラミック粉末の解砕が促進されるようにした。なお、攪拌羽８の回転速度は５０ｒｐｍとして攪拌を行った。攪拌が進むにつれアルミニウム熔液の表面にセラミック粉末を含んだアルミニウムの発泡体が浮かんできたため、これを大気中で硬化させた。このようにしてアルミニウム−セラミックス多孔質複合材を作製した。得られた多孔質複合材について以下の評価を行った。
【００３４】
アルミニウム−セラミックス多孔質複合材の評価として、ヤング率と気孔率を測定した。ヤング率は共振法により測定し、気孔率はアルキメデス法から測定した。また、これらの結果からセラミックスの充填率を複合則から計算で求めた。気孔径については破断面を写真撮影し、その写真より気孔の直径を測定して平均気孔径を求めた。このようにして、下の表に示す結果が得られた。
【表１】
2009007628.tif 000003
【００３５】
計算では、アルミニウムのヤング率として７２ＧＰａ、炭化ケイ素のヤング率として４３０ＧＰａ、アルミナのヤング率として３８０ＧＰａ、窒化アルミニウムのヤング率として３１０ＧＰａを使用した。また、破断面を観察した結果、いずれの試料においてもセラミック粉末の凝集は見られなかった。このように、アルミニウムのマトリックス内にセラミックスが２０体積％以上含まれるアルミニウム−セラミックス多孔質複合材を作製できた。そして、いずれの試料においても高いヤング率を得ることができた。
【００３６】
（比較例）
市販の平均粒径６．３μｍのＳｉＣ粉末を使用し、実施例１〜３と同様の方法でアルミニウム−セラミックス多孔質材を作製した。作製した多孔質材には、約５０μｍ程度のセラミック粉末の凝集体が多数存在し、実施例１〜３と比較するとセラミック粒子の分散状態が不均一であった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る多孔質複合材の製造装置の構成を示す正面図である。
【図２】本発明に係る多孔質複合材の製造装置の断面図である。
【図３】製造装置により多孔質複合材を製造する態様を示す部分断面正面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  製造装置（多孔質複合材の製造装置）
２  熔融るつぼ（容器）
３  攪拌装置
５  固定部
６  動力部
７  シャフト
７ａ  不活性ガス導入路
８  攪拌羽
９  ジャマ板（障害部材）
１０  ガス管
１１  不活性ガス供給源
２０  混合材料
２１  不活性ガス
【図１】
2009007628.tif 000004
【図２】
2009007628.tif 000005
【図３】
2009007628.tif 000006