技術 繊維強化金属複合材料に用いられる繊維径が３０μｍ以下で繊維表面の炭素成分を除去したセラミックス繊維とその製法

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本発明は繊維強化金属複合材料（以下、ＦＲＭ）において、繊維表面の炭素成分を除去した繊維径が３０μｍ以下のセラミック繊維を強化材とすることにより、マトリックスの金属との濡れ性を高め界面反応を抑えた高強度高剛性の繊維強化金属複合材料を提供する。

0002

機械的強度、耐熱性、軽量化等の物性を改善する複合材料として金属に各種繊維を強化材とするＦＲＭ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｍｅｔａｌｓ）は、各種の提案がなされ実用化もされている。

0003

用いられる強化繊維材料は直径５〜１１μｍの炭素繊維、直径１０２〜２０３μｍのボロン系繊維、直径１０２〜２０３μｍのタングステンや炭素繊維をコアにしたＳｉＣ繊維、直径１２７μｍのベリリウムやスチ−ルやモリブデン繊維があり、直径１００μｍ以上の繊維は自由な形状のＦＲＭを得にくい。

0004

ＦＲＭは、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金等の軽金属にセラミックス繊維や粒子を強化材にして高強度、耐摩耗性から自動車エンジン部材に広く使用されている。

0005

その製法には鋳造法、ホットプレス法、中間素材のプリフォ−ムワイヤ（Ｐｒｅ−ｆｏｒｍ ｗｉｒｅ）を成形する製造法が知られている。

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鋳造法では溶融金属との高温度接触時間が長いことにより、強化材であるセラミックス繊維との界面反応によって繊維強度の劣化を防止できず、複合則に見合う強度のＦＲＭが得られていない。

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ホットプレス法では高温度での接触時間を短縮することにより、鋳造法に比較して高強度のＦＲＭが得られるが高価な設備等を要しコスト低減量産化には困難を伴う。

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中間素材のプリフォ−ムワイヤを成形する製造法においては、溶融金属との高温接触時間が長いため繊維強度の低下を生じて複合則に見合う高強度高剛性のＦＲＭが得られていない。

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この原因として金属と強化繊維との界面での反応により繊維強度が劣化することが上げられている。界面の反応を抑制するために各種の方法が提案されている。

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ＦＲＭ等に使用されるセラミック繊維材の表面改質に方法には、例えば、特開平５−１１７０９８号公報にはホウ酸アルミニウムウイスカ−を窒化層で被覆して強化材とする方法が提案されている。

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また、特開平４−９１２２６号公報にはシリカ含有のアルミナ繊維表面を窒化ケイ素被覆して強化材とする方法が提案されている。

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特開平６−３５６２６号公報にはアルミナ繊維と非晶質アルミナ−シリカ繊維の混合物を強化材とする方法が提案されている。

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特開平９−２９５８９８号公報にはホウ酸アルミニウムウイスカ−表面を０．１〜１μｍの窒化アルミニウムで被覆して強化材とする方法が提案されている。

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特開平１１−７９７１３号公報には強化繊維成形体の繊維の表面に金属水酸化物を被覆し、更に焼成し被覆材を金属酸化物に改質し、強化材とする方法が提案されている。

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本発明は、強化材の繊維表面を改質し強化材の繊維強度から予測される複合則に見合う高強度高剛性のＦＲＭを安価に提供する。

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本発明は、従来法で得られたＦＲＭの強度が、強化材の添加量に応じ複合則に則した材料強度が得られていない点に注目し検討した。

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その結果強化材であるセラミックス繊維とマトリックスである金属との濡れの改善と界面反応の防止が必要であることに注目した。

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セラミックス繊維とマトリックス金属との濡れについては、繊維表面に金属酸化物や炭素成分の存在がありマトリックス金属との濡れを阻害していること特に炭素成分の存在が溶融金属との濡れを阻害している。

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炭素成分がアルミニウムとその合金、金属シリコンとその合金、マグネシウム金属とその合金等のマトリックス金属とカ−バイド化反応していることが判明した。軽量化が期待できるアルミニウム又はアルミニウム合金をマトリックスとするＦＲＭにおいて反応生成物のアルミニウムカ−バイドは吸水性が有り、吸水すると加水分解してしまうので極力この反応を防止する必要がある。

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そこで本発明者は繊維表面の炭素成分及び金属酸化物のうち特に炭素成分を除去したセラミック繊維を強化材とすることによって、金属との濡れを良好にし、マトリックス金属とのカ−バイド化反応が防止し、高強度高剛性の繊維強化金属複合材料が得られる結果を得た。

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また本発明の応用として炭素繊維の表面をＳｉＣ、ＴｉＣ又はＢ４Ｃの薄膜で被覆したセラミック繊維としても、繊維表面の炭素成分を除去すると炭素繊維の強度を保持して良好な高強度高剛性の繊維強化金属複合材料が得られる。

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以下に実施形態を説明する。セラミックス繊維を炭素成分除去のために５００〜９５０℃好ましくは６５０〜８５０℃水素ガス雰囲気中で脱炭素処理する。

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この時の繊維の形態は短繊維のチョップ繊維、織布、長繊維のヤ−ン、フェルトのいずれもが使用出来る。このとき短繊維は切断端面を含む繊維の全表面が脱炭素されるので好ましい形態である。

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この水素ガス雰囲気は水素ガス単独雰囲気又は窒素ガスやアルゴンガスで希釈された水素ガス雰囲気とする。

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その処理時間は繊維の重量に応じて適宜選択される。連続でなくてバッチ処理炉おいては、共詰めした炭素繊維の消滅又は焼き細り切断によって脱炭素処理の状態を判定できる。

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炭素繊維に検出のための小電流を流しこの小電流のＯＮ，ＯＦＦによって脱炭素処理時間を電気信号に変換できる。

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ID=000003HE=020 WI=141 LX=0345 LY=1250
等のセラミック繊維表面がＳｉＣ、ＴｉＣ又はＢ４Ｃで被覆されている繊維のいずれも好適に使用可能である。

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Ｓｉ−Ｃ−Ｏ繊維であるフィラメント径１４μｍ、引張強度２．９ＧＰａ（３００ｋｇｆ／ｍｍ２）、引張弾性率２０６ＧＰａ（２１００ｋｇｆ／ｍｍ２）の繊維長２〜３ｍｍのチョップを繊維表面の炭素成分を除去するために８００℃水素ガス雰囲気中で脱炭素処理した。

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脱炭素処理した繊維の強度に変化なく引張強度は２．９ＧＰａ（３００ｋｇｆ／ｍｍ２）であり、引張弾性率は２０６ＧＰａ（２１００ｋｇｆ／ｍｍ２）であった。

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脱炭素処理した短繊維をアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）溶湯に１０重量％添加しＦＲＭとした。得られたＦＲＭの曲げ強さは４２０ＭＰａ（４３ｋｇｆ／ｍｍ２）、曲げ弾性率は９１ＧＰａ（９３００ｋｇｆ／ｍｍ２）であった。これはアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の曲げ強さ１９６ＭＰａ（２０ｋｇｆ／ｍｍ２）の約２倍、弾性率７８ＧＰａ（８０００ｋｇｆ／ｍｍ２）の１．１倍の強度向上をしめした。

0031

Ｓｉ−Ｃ−Ｏ繊維であるフィラメント径１４μｍ、引張強度２．９ＧＰａ（３００ｋｇｆ／ｍｍ２）、引張弾性率２０６ＧＰａ（２１００ｋｇｆ／ｍｍ２）の繊維長２〜３ｍｍのチョップを繊維表面の炭素成分を除去処理なしで、アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）溶湯に１０重量％添加しＦＲＭとした。得られたＦＲＭの曲げ強さは１８６ＭＰａ（１９ｋｇｆ／ｍｍ２）、曲げ弾性率は６５ＧＰａ（６６００ｋｇｆ／ｍｍ２）であった。これはアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の曲げ強さ１９６ＭＰａ（２０ｋｇｆ／ｍｍ２）の９５％、弾性率７８ＧＰａ（８０００ｋｇｆｍｍ２）の８３％で繊維を添加した効果が出ていない。

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実施例１で得られた脱炭素処理した短繊維を高強度金属含浸炭素摺動材料（材質名ＮＣ−０９４：日本カ−ボン株式会社製）に１０％添加した。得られた材料の曲げ強さは３４３ＭＰａ（３５ｋｇｆ／ｍｍ２）、曲げ弾性率は６０ＧＰａ（６１００ｋｇｆ／ｍｍ２）であった。これはアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の曲げ強さ１９６ＭＰａ（２０ｋｇｆ／ｍｍ２）の約１．７倍、弾性率７８ＧＰａ（８０００ｋｇｆ／ｍｍ２）の０．８倍の強度である。

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ＮＣ−０９４は硬質炭素粉が５０ｖｏｌ％アルミニウム合金に添加された構造であり、曲げ強さは２１６ＭＰａ（２２ｋｇｆ／ｍｍ２）、曲げ弾性率は３９ＧＰａ（４０００ｋｇｆ／ｍｍ２）である。繊維添加の効果では曲げ強さで１．６倍、弾性率で１．５倍をしめした。

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Ｓｉ−Ｃ−Ｏ繊維であるフィラメント径１４μｍ、引張強度２．９ＧＰａ（３００ｋｇｆ／ｍｍ２）、引張弾性率２０６ＧＰａ（２１００ｋｇｆ／ｍｍ２）の繊維長２〜３ｍｍのチョップを繊維表面の炭素成分を除去処理なしで、高強度金属含浸炭素摺動材料（材質名ＮＣ−０９４：日本カ−ボン株式会社製）に１０％添加した。得られた材料の曲げ強さは１８６ＭＰａ（１９ｋｇｆ／ｍｍ２）、曲げ弾性率は３９ＧＰａ（４０００ｋｇｆ／ｍｍ２）であった。繊維添加によって弾性率に変化なく曲げ強さで８９％に強度低下した。

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本発明は以上のように構成されており、セラミックス繊維表面の炭素成分が除去されているため、マトリックス金属と強化材のセラミックス繊維がよく濡れて複合則に見合う強度の金属複合材料が得られる。炭素成分がアルミニウムとその合金、金属シリコンとその合金、マグネシウム金属とその合金等とカ−バイド化する反応も防止できるので軽金属との複合材料も化学的に安定である。