群馬大学大学院理工学府知能機械創製部門教授半谷禎彦(平成28年度一般研究開発助成 AF-2016029)キーワード:ポーラスアルミニウム，傾斜機能材料，粉末冶金法
1.緒言
ポーラスアルミニウムは,多気孔構造を有する超軽量な素材であり，その構造から優れた衝撃吸収特性を有する1-3).そのため自動車用部材として用いることで安全性の向上及び軽量化に伴う燃費向上が期待されている。 51. ポーラスアルミニウムの機械的特性は気孔形態や合金種によって異なることが知られている．本研究では，ポーラスアルミニウム内でアルミニウムの合金種を変化させた傾斜機能ポーラスアルミニウムの作製を試みる.ポーラス金属を作製する方法には様々な手法が提案されている。リ.オープンセル型ポーラス金属の作製方法のーつに焼結スペーサー法(sintering and dissolution process)がある8-10.焼結スペーサー法は，まずアルミニウム粉末とスペーサーとなる塩化ナトリウム(NaC1)粉末を混合・焼結する.焼結体を水洗し, NaClを溶解除去することで,気孔を生成しポーラスアルミニウムを作製するものである．混合したNaClの形状が，ほぼそのまま気孔形状となる。また，混合するアルミニウム粉末とNaCl粉末の体積の割合が,ほぼそのまま作製するポーラスアルミニウムの気孔率(試料全体に対する気孔の体積率)となる.そのため,焼結スペーサー法は気孔形態を容易に制御できる。更に，NaClは安価で人体に無害であることや，水への溶解度が高く常温の水で容易に溶解除去できることなどから,簡便で生産コストを低く抑えられることが期待される.本研究では,放電プラズマ焼結法により傾斜機能ポーラスアルミニウムの作製を試みる.それぞれの層の気孔率が同じとなるようにアルミニウム粉末とNaCl粉末の割合を調整し，2種類のアルミニウム合金が2層となるようにそれぞれの混合粉末を順番に投入することで,傾斜機能ポーラスアルミニウムが作製できることが期待される.作製した傾斜機能ポーラスアルミニウムはX線CTにより気孔形Fig. 1. Schematic illustration of fabrication of two-layered FG foam with differnt types of Al by sintering and dissolution process.施を観察し,各層が同一の気孔率を有していることの確認を行う.その上で，作製した傾斜機能ポーラスアルミニウムの圧縮特性について調査する.
2.実験方法
2. 1試料作製方法
Fig. 1に異種アルミニウムからなる傾斜機能ポーラスアルミニウムの作製方法を示す. Fig. 1 (a)に示すように出発材として, Pure Al粉末(粒径20 μm以下), Al-Si-Cuアルミニウム合金であるADC12合金粉末(粒径26 μm以下)およびスペーサー粉末として塩化ナトリウム(NaCl)粉末(425—500 μm)を用いた. Fig. 2にそれら粉末のScanning electron microscope (SEM)画像を示す。これらの粉末から，NaCl体積割合が70%となるようにそれぞれのAl粉末とNaCl粉末を混合し，Fig. 1 (b)に示すように2種類の混合粉末を作製した.これらの混合粉末をPure Al層とADC12層の2層を形成するように，Fig. 1 (c)に示すように直径20 mm, 高さ40 mmの黒鉛型に充填した. 上下から黒鉛バンチによって圧力を加え，放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering, SPS)装置（住友石炭鉱業株式会社製SPS - 1050）で焼結を行った．焼結条件は，室温から673 Kまで８minで昇温させた後，753 Kまで２minで昇温させた．その後，753 Kを10 min保持し，焼結体を作製した．加圧力は50 MPaを保持した．その後，Fig. 1 (d)に示すように得られた焼結体を静水中で水洗することでNaCl を除去し，Fig. 1 (e)に示すようにポーラスAlを作製した．作製したポーラスAlは，X線CT画像によりポーラスAlの非破壊親察を行った後，静的圧縮試験を行った.
2. 2 気孔形態観察方法
得られた圧縮試験片の気孔形態はX線CTを用いて観察した.株式会社島津製作所のマイクロフォーカスX線CT, SMX-225CTを用いて行った. X線源はタングステンであり,圧縮試験片全体をコーンピームCT撮像した.撮像条件は, X線管電圧80 kV, X線管電流30 μA,画像サイズ512× 512 pixelとした.取得した全ての断層画像に対して2値化処理を行い,アルミニウムと気孔を分離し気孔率を算出した.この画像処理には，WinROOF（三谷商事株式会社）を用いた.
2. 3圧縮試験方法
得られたポーラスアルミニウムの圧縮特性はJIS-H-7902ポーラス金属の圧縮試験方法111を参考にした静的圧縮試験により取得した．圧縮試験は，株式会社島津製作所の精密万能試験機オートグラフAG-100kNGを用いて，圧縮速度（クロスヘッド速度）1 mm/minで行った.同時にビデオ撮影することで,変形举動の外観観察も行った．圧縮ひずみは，クロスヘッド変位を初期の圧縮試験片高さで除することで求めた. direction, (e) porosity distribution in h direction. (b) (c)

３．実験結果
Fig. 3に作製したポーラスA1の外観図やX線CT画像,高さ方向の気孔率分布を示す.  Pure Al層およびADC12層は,水洗時に焼結不足による崩れは見られなかった.また, X線CT画像から，作製したポーラスA1は，NaC1の形状が転写された気孔形状,およびほぼ均一な気孔分布を有していた．X線CT画像よりNaClの残留が見られないことを確認した.質量から算出した除塩率からも完全に除塩が行われていると考えられる. Fig. 4に静的圧縮試験より得られた変形挙動，応力－ひすみ線図およびその応力－ひずみ線図から算出した応力ー単位体積あたりのエネルギー吸収量の関係を示す.圧縮初期段階(1st plateau)では, Pure Al層が圧潰するため低強度なプラト一領域が現れた.そして，ε ＝0.2～0.3あたりを境にADC12層の圧潰が始まるため高強度なプラト一領域(2nd plateau)が現れた.したがって，作製したポーラスAlは内部において異なる強度を有していた.また，それに伴って，エネルギー吸収量も変化することが示された. Fig.5に応力－ひずみ線図から算出したプラトー応力を示す.プラトー応力の算出方法は，文献121を参考に同様に行った．すなわち， ( 1 ) pure A1層の変形時には，ADC12層は変形しない. ( 2 )  ADC12層の変形時には，pure  Al層は変形しない． (3) pure Al層のひずみは, pure Al層の厚さで試験片全体の変位を除することで求める. ( 4 ) ADC12層のひずみは、ADC12層の厚さで試験片全体の変位を除することで求める. ( 5 ) JIS規格のように11 , （ 3 ) , （ 4 ）で得られた圧縮ひずみのうち，20–30%ひずみの応力の平均値を，各層のプラト一応力と定める.このような仮定のもと，プラト一応力を求めた．これより合金種を変化させた傾斜機能ポーラスアルミニウムは,各層の合金種単独のポーラスアルミニウムのプラト一応力と，ほぼ同様の値となっており，各層の合金種のポーラスアルミニウムの特性を有していることがわかった.
4.結言
本研究では焼結スペーサー法により合金種の異なる傾斜機能ポーラスアルミニウムの作製を試みた.アルミニウム合金種を変化させた傾斜機能ポーラスアルミニウムにより，破壊の制御の可能性が示唆された．また，各領域が変形する時にその変形層の単体ポーラスアルミニウムの圧縮特性が発現していると考えられる.蓄本研究は，公益財団法人天田財団の平成28年度一般研究開発助成（AF- 2016029）のもと行われました．ここに厚く感謝いたします.