【高温固相プロセス】

アルミナおよび MAS ガラス/金属複合材料の力学特性と機能性
和.

は じめ

久芳春にガラスやセラミックスなどの脆性材料の強度や破壊靭性が向上し，新しい機能性が見出されれば，信頼性の高い材料として大幅な用途の拡大が期待できる．金属材料と同じように破壊時に亀裂先端で塑性変形が生じるように脆性材料の中に延性な金属材料を複合化し，微小な金属粒子を分散させれば破壊靱性と強度の同時改善が可能である．著者らは延性扁平金属粒子とナノサイズの金属微粒子を脆性材料に複合化することにより強度と靭性を同時に改善し，二，三の特徴的な機能を有する新しいタイプの多機能複合材料を開発した．本解説ではこの複合材料の靭性改善の考え方，扁平化プロセス，力学的特性および電磁波シールド性を含めた一，二の機能性について紹介する．

.

脆性材料の強靭化手法

図1

破壊靱性向上の概念図．

長さ 2c のき裂を含む脆い材料に応力が加わった場合の破壊 強 さ sc は Griffith の 式 sc ＝ ( 2Egs / pc ) に よ り 与 え ら れ

ギー gp が増加し，靭性の向上が期待できる．強度の向上

る(1) ．ここで E は弾性率， gs は単位面積の表面をつくるのは，扁平金属粒子の分散の効果に加え，ナノサイズの金属微に 必 要 な エ ネ ル ギ ー で あ る ． 破 壊 靭 性 は K  c ＝ 2 E gs

粒子を均一に分散させることにより，マトリックス結晶粒の(≡ sc pc)で与えられ，脆性材料の場合， gs はその物質の表成長を抑制し，組織の微細化により期待できる．以上のよう面張力に近い値となる(2)．しかし，亀裂先端で塑性変形が生な考え方で，延性扁平金属粒子とナノ粒子分散により，破壊じる材料の場合は，き裂先端で起る塑性変形に要する仕事量靭性と強度の同時改善が可能である．

gp が破壊エネルギーの大部分を占め(2)， gp は gs に比べ桁違いに大きい値となる．したがって金属材料の破壊靱性はセラ

.

複合材料の製造プロセスミックやガラスに比べ桁違いに大きい．そこで金属材料の破壊靱性が高くなる機構を有効に利用する手段として延性扁平金属の複合化を検討した．

金属粒子の扁平化がこの技術の重要なポイントである．ア
ルミナやガラスなどの原料粉末と金属粉末を一定割合で混合

著者らの研究によれば，延性扁平金属粒子分散により，破し湿式ボールミル処理を行い，球状の金属粉末を扁平化し，壊靭性の向上が可能であり，その基本的な考え方を模式的に一部ナノレベルの微粒子を得る．得られた混合粉末を黒鉛モ

図に示す(3)(4)．亀裂先端に延性扁平金属粒子が存在するこールドを用いてホットプレス焼結して複合材料を製造する．とにより，破壊時に扁平金属粒子が塑性変形し，塑性エネル

従来のセラミックス粉末の均一混合に使われていた湿式ボー島根大学教授総合理工学部材料プロセス工学科(〒6908504 松江市西川津町1060)
Functional and Mechanical Properties of Al2O3 or MAS Glass/Metal Composites; Yoshiharu Waku(Department of Natural Resources
Engineering, Interdisciplinary Faculty of Shimane of Science and Engineering, Shimane University, Matsue)
Keywords: flaky metallic particle, nanometer sized metallic fine particle, fracture toughness, flexural strength, shielding effect, electric resistance,
MAS glass, Al2O3, ball milling
2010年 2 月28日受理

ま て り あ 第49巻 第 7 号(2010)Materia Japan図3

図2

扁平 Mo 粒子の体積率と破壊靭性値の関係．

アルミナマトリックス中における扁平 Mo 粒子とナノ Mo 粒子の分散を示す TEM 像．

ルミル処理が金属粒子の扁平化に有効である．扁平 Mo 粒子とナノサイズの Mo 微粒子が分散している TEM 写真を図に示す．アルミナマトリックス中に扁平 Mo 粒子とナノ Mo

図4

微粒子が分散しており，これが後述する強度と破壊靭性の同MAS ガラス/20扁平 Mo 粒子複合材料における破壊靭性試験片の破面の SEM 像．

時向上並びに特徴的な機能性の発現と密接に関係していると考えている．

. 力 学 的 特 性

曲げ強度ために靭性が大幅に向上する．
扁平 Mo 金属粒子の塑性変形を調べるため破壊靱性試験後の試験片の破面を観察したときの SEM 像を図に示す(6)．

アルミナあるいは MAS ガラス/ Mo 粒子複合材料におけ破面から分かるように扁平 Mo 金属粒子はくびれて延性破壊

る曲げ強度は扁平 Mo 粒子の体積率と共に増加するが，増加をしている．すなわち，破壊の時，扁平 Mo 粒子が著しい塑

率はアルミナと MAS ガラスマトリックスでは異なる．すな性変形をしたため，塑性変形エネルギー gp が大きくなり破

わ ち ， MAS ガ ラ ス の 場 合 ， 体 積 率 50  で モ ノ リ シ ッ ク壊靭性値が大幅に向上したものと考えられる．

MAS ガラスの曲げ強度 131 MPa の約3.4倍の 450 MPa であ.

るのに対して，アルミナの場合は，体積率約 50 でモノリ
シックアルミナの 320 MPa の約 1.7 倍の 530 MPa であり，マトリックスの違いにより強度の向上の程度が異なる(5)(6)．


破壊靭性値



特徴的な機能性

電磁波シールド性

KEC 法により測定した MAS ガラス/20扁平 Mo 粒子複合材料の電磁波シールド効果を図に示す．比較のため，代アルミナあるいは MAS ガラス/ Mo 粒子複合材料の破壊表的な電磁波シールド材のデータも示してある．本複合材料

靭性に及ぼす体積率の影響を図に示す(5)(6)． MAS ガラスのシールド効果は測定不能のために，測定不能領域の下限値の場合，モノリシック MAS ガラスの破壊靭性値 1.7 MPa・を図にプロットしてある．周波数 1～1000 MHz の範囲で他

m1/2 に対して体積率50で約6.8倍の11.6 MPa・m1/2 に向上の電磁波シールド材に比べ本複合材料が格段に優れたシールする．一方，アルミナの場合，モノリシックアルミナの破壊ド特性を示す(7)．

靭性値 3.4 MPa ・ m1/2 に対して体積率約 50 で約 3.9 倍の13.4 MPa ・ m1/2 に向上する．すなわち，扁平金属粒子を複合化した場合は破壊時に亀裂先端において塑性変形が生じる





体積抵抗率

金属材料の抵抗材料・発熱材料として広く使われているもミ ニ 特 集

破壊靱性を同時に向上できる脆性材料の新しい強靭化法について解説してきた．本強靭化法においては金属粒子の扁平化がキーテクノロジーであるが，比較的容易にしかも一般的な方法で出来ることが特徴である．この方法で製造した複合材料は電磁波シールド特性，電気抵抗特性などの特異な機能性を有している．この研究はまだ緒についたばかりであるが，少しでも実用化の例が出ることにより研究が加速・進展されることを期待している．
図5MAS ガラス/20扁平 Mo 粒子複合材料の電磁波シールド特性．のにニクロム線がある．この材料の JIS1 種の体積抵抗率は1.08 × 10－4 Q ・ cm で 一 定 で あ る ． 抵 抗 器 の 電 気 抵 抗R(＝r・(L/S)，ここで r体積抵抗率，L抵抗材料の長さ，S 抵抗材料の断面積)は長さや断面積を変えることにより

文( 1 ) E. Orowan: Rep. Prog. Phys., 12(1949), 185.
株 内田老鶴圃出版，(1986), 62.
( 2 ) 須藤 一材料システム学，
( 3 ) Y. Waku, et al.: J. of Mat. Sci., 32(1997), 4549.
( 4 ) 和久芳春，鈴木道之粉体および粉末冶金，43(1996), 705.
( 5 ) Y. Waku, et al.: Met Trans., 27A(1995), 3307.
( 6 ) Y. Waku, et al.: J. of Mat. Sci., 35(2000), 2955.
( 7 ) 和久芳春鳥取・島根発 JST 新技術説明会， 2007 年 12 月 7日，科学技術振興機構 JST ホール，東京．

調整され，ニクロム線がコイル状になっているのはこのため★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

である．本複合材料では複合化する金属相の体積率で体積抵抗率を制御できるので比較的簡単な形状で抵抗体，発熱体への応用が可能である．そのためコストの低減や小型化・軽量化が期待できる．

.

お わり

献に和久芳春

1979年 3 月 東北大学工学研究科博士課程修了
1980年 7 月 宇部興産株式会社入社
2007年 4 月 島根大学総合理工学部教授
2010年 3 月 現職
専門分野複合材料，疲労破壊，破壊力学など◎最近は一方向凝固共晶セラミックスの製造と高温特性評価に関する研究や扁平金属粒子やナノ金属粒子を分散させた複合材料の製造と特性評価に取り組んでいる．

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延性扁平金属粒子とナノ金属微粒子の複合化により強度とま て り あ 第49巻 第 7 号(2010)Materia Japan