JPS6225737B2 - - Google Patents
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Landscapes
- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
本発明は新規なアルミナ質繊維を強化材とし、
アルミニウム系金属をマトリツクスとした繊維強
化金属基複合材料(以下、FRMと略称する)に
関するものである。
その目的とするところは、軽量にして、耐熱性
を有し、引張・曲げ・圧縮における強度・弾性率
あるいは疲労強度などの力学的・機械的性質の優
れた金属系材料を提供しようとするものである。
近年航空宇宙、原子力、自動車など多くの産業
分野における急速な技術的発展により、従来の材
料と比較して、軽量でさらに強度、弾性率などの
機械的性質が優れ、かつ高温もしくは低温域で使
用できる寿命の長い材料が熱望されている。しか
しながら既存の技術では、これらの条件をすべて
充分に満足する材料を供給することが困難であつ
た。
このような要望に答える材料のひとつとして、
比重が比較的小さな無機繊維を強化材とする
FRMが盛んに研究されている。これらの強化材
に用いられる無機繊維としては、今までにボロン
繊維、炭素繊維やシリコンカーバイド繊維あるい
はアルミナなどのウイスカーなどが試用されてい
る。
またマトリツクス金属としては、FRMの用途
によつて異なる。たとえば軽量化が特に要求され
る場合には、マグネシウムやアルミニウムまたは
これらの合金が、耐熱性が特に要求される場合に
は、銅、ニツケル、チタンまたはこれらの合金
が、それぞれ主として採用されている。このなか
でもとりわけアルミニウムもしくはアルミニウム
合金をマトリツクス金属としたFRMが最も研究
され、試作されている。
しかし、このアルミニウムを強化したFRM
は、いまだに数多くの欠点を有しており、信頼性
の高い材料にはなりえていないのが実状である。
たとえば、マトリツクス金属の強化用高強度繊
維としてボロン繊維が知られている。この繊維
は、アルミニウムと反応しやすく、比較的高温で
容易にボロン化合物を繊維とマトリツクス界面で
生成して、FRMの強度低下をきたす。このため
通常はシリコンカーバイドなどを繊維表面に被覆
して、上記の反応を制御しているが、まだ不充分
である。さらに、ボロン繊維もしくはシリコンカ
ーバイド被覆ボロン繊維の繊維径は100μm前後
と太く、したがつて可撓性に乏しく成形可工性が
劣るという欠点を有している。
次に炭素繊維は空気中で酸化されやすく、マト
リツクス金属であるAlとの界面で反応により
Al4O3の脆化層を生成し、複合材料の強度を低下
させる。また炭素繊維は電気伝導性が良好なた
め、繊維とマトリツクス金属の界面で電蝕反応が
おき、繊維強度の低下をきたす。
このためたとえば耐塩水性のような腐蝕に弱い
という欠点を有している。ところで炭素と液相ア
ルミニウムとのぬれは悪い。したがつてぬれをよ
くし、かつ上記の繊維とマトリツクス界面での反
応を抑制する目的で繊維表面にコーテイングをす
ることが提案されている。しかし、炭素繊維は一
般に繊維径が10μm以下と細く、繊維の全表面に
確実に、かつムラなく均一に被覆することが難し
い。さらに、炭素繊維の表面にケイ素又はチタン
の炭化物を被覆することが公知である(特開昭52
−27826号、52−28433号)が、被覆物がセラミツ
ク質であるためアルミニウムとのぬれ性が良くな
いので製法が限定されるという欠点をもつてい
る。
また、炭素繊維の表面を有機金属化合物で被覆
処理した後に、アルミニウムと複合化する方法
(特公昭51−37803号)がある。この方法は、(1)ト
リエチルアルミニウムのように工業的な取り扱い
が簡便ではない有機金属化合物で被覆しているた
め、手間と経費を要すること、また(2)トリエチル
アルミニウムやジエチルアルミニウムハイドライ
ドなどで炭素繊維の表面処理を行なつてアルミニ
ウムを被覆しても、この表面に酸化皮膜がただち
に形成されるので、アルミニウムと複合化する
と、繊維とマトリツクス金属の界面に存在する酸
化皮膜のために、界面結合強度が低すぎて複合材
料の強度を充分に発揮することができないこと、
などの欠点を有している。更に、酸化ケイ素およ
び炭化ケイ素を炭素繊維の表面に被覆する方法も
公知である(特開昭52−36502号)。この方法も多
数本の炭素繊維の全表面に確実に、かつムラなく
均一に被覆することが難しいという欠点のほか
に、アルミニウムを強化する場合、被覆した酸化
ケイ素および炭化ケイ素が比較的高温でアルミニ
ウムと反応して、被覆繊維とマトリツクス金属の
界面において不連続な脆化層と形成するため、複
合材料の強度低下をきたすという欠点を有してい
る。
更にアルミナ、炭化ケイ素などのウイスカーの
場合は、引張強度、弾性率ともに非常に高い。し
かしながら径や長さの均一なウイスカーを量産す
ることは難しく、ウイスカーが高価であることの
主要原因となつている。
またアルミナ・ウイスカーを金属と複合化する
場合には、この構造がα−Al2O3であるため、上
記のようなマトリツクス金属との反応という欠点
はないかわりに、逆にアルミニウム系マトリツク
スとのぬれが悪く複合材料中に空孔を生じやす
く、したがつて複合材の物性が劣るという欠点を
有している。
本発明者らは、上記の強化繊維の種々の欠点を
解消すべく鋭意検討した結果、以下に述べる金属
もしくは金属間化合物で被覆したアルミナ質繊維
で、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を強
化した複合材料が、軽量で耐熱性に富み、力学
的・機械的性質に極めて優れた性質を有すること
を見出した。
本発明に用いられるアルミナ質繊維は、アルミ
ナ(Al2O3)含有量が72重量%以上、100重量%以
下、好ましくは75重量%以上、98重量%以下から
なる連続繊維であつて、本発明者らの検討の結果
によれば極めて大きな引張強度と弾性率を有して
いる。
アルミナ質繊維はボロン繊維と比較してはるか
に可撓性に富み、また高温でもボロン繊維、炭素
繊維にも見られない大きな酸化抵抗性を有してい
るために、これを用いた金属複合材料を製造する
ことは極めて容易であるという製造上の利点を提
供するのみならず、多種の金属と容易に反応する
ことが少なく、かつ優れた機械的性質を有してい
るために、室温から高温にいたる広い温度範囲で
大きな比強度、比弾性率を有し、かつ優れた高温
クリープ特性、疲れ特性、耐衝撃性をも有した複
合材料を多くの金属をマトリツクスとして用いて
製造することができるという、従来用いられてい
る強化用繊維には期待できないまつたく新規な特
長を有しているのである。さらにまた該アルミナ
質繊維は従来用いられている強化用繊維と異なつ
て広い表面積を有し、したがつて繊維とマトリツ
クスとの界面結合を改善するための種々のコーテ
イングが効率的に行なわれ得るという利点を有し
ている。
すなわち、該アルミナ質繊維の上記の性質に関
して述べれば、その強度・弾性率は、繊維径を10
μmとすれば、それぞれ20t/cm2、2200t/cm2以上
の値を示し、これらの値は酸化性雰囲気中1250℃
に保持しても失なわれない。たとえばアルミナ含
有量75重量%、シリカ含有量25重量%の組成から
なる径10μの繊維は引張強度29t/cm2、引張弾性
率2400t/cm2の値を示し、このものを空気中1350
℃で1時間保持したあともなお20t/cm2以上の引
張強度を有している。また該アルミナ質繊維の表
面積はベツト法による測定から上記の組成範囲に
おいて約100m2/g〜600m2/gの値を示す。
本発明は、このような広い表面積をもつ繊維の
上に、アルミニウムとよくぬれかつアルミニウム
の液相中へ溶解しにくい金属もしくは金属化合物
を被覆することにより、繊維とアルミニウムとの
ぬれ性を改善し、かつ繊維とアルミニウムの界面
での反応を抑制し、該マトリツクス金属の融点直
下までの全温度において、従来にない優れた強度
と弾性率を有するFRMを提供しようとするもの
である。
ところで、本発明に用いるアルミナ質繊維と融
点が1700℃以下である金属との複合材料は既に公
知であり(特開昭50−109903号)各種FRMを得
ることができる。しかしながらマトリツクス金属
にアルミニウムもしくはアルミニウム合金を用い
る場合には、繊維の表面処理を行なわないと、ア
ルミナ質繊維とマトリツクス金属が比較的容易に
はぬれにくいため、この複合材の製法に際してた
とえば液体金属含浸法の場合、比較的高い含浸圧
力を必要とする。更にこの製法上の欠点を解消す
るために、アルミナ質繊維の表面に金属ニツケル
を被覆し、融点が1700℃以下の金属と複合化する
方法(特開昭50−109904号)が公知であるが、や
はりアルミニウムもしくはアルミニウム合金をマ
トリツクス金属として用いる場合には、アルミニ
ウムとニツケルの界面において、Al3Niなどの両
者の金属間化合物を生成し、この金属間化合物が
脆いため、得られた複合材の引張強度などの機械
的性質は本発明によるものより低い値にとどまつ
ている。
本発明者らは、以上述べた従来のアルミニウム
もしくはアルミニウム合金強化用の良好な繊維を
得るため、新規なアルミナ質繊維の表面にアルミ
ニウムの液相中への最大溶解量が1重量%以下の
一種以上の金属もしくはこれら二種の金属間化合
物を被覆して、これをアルミニウムもしくはアル
ミニウムを含む合金と複合化すれば、繊維とマト
リツクス金属のぬれが良好であるためFRMの製
法が簡単になり、また得られた複合材料は軽量で
耐熱性に富み、かつ極めて優れた力学的・機械的
性質をもつことを見出し、本発明に至つたもので
ある。
以下、本発明を更に詳細に説明する。
まず本発明に用いられるアルミナ質繊維はアル
ミナ(Al2O3)含有量が72重量%以上、100重量%
以下、好ましくは75重量%以上、98重量%以下で
あり、シリカ(SiO2)含有量が0重量%以上、28
重量%以下、好ましくは2重量%以上、25重量%
以下の組成のものである。またシリカ含有量の
中、繊維全重量に対して10重量%以下、好ましく
は5重量%以下の範囲で、これをリチウム、ベリ
リウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、ケ
イ素、リン、カリウム、カルシウム、チタン、ク
ロム、マンガン、イツトリウム、ジルコニウム、
ランタン、タングステン、バリウムの一種または
二種以上の酸化物で置換えてもよい。
また該アルミナ質繊維のX線的構造においてα
−アルミナの反射を実質的に示さないものが望ま
しい。一般に無機繊維は高温において繊維内に繊
維を形成する無機物の結晶粒子が成長し、これら
結晶粒子間の粒界破壊のために繊維強度が著しく
低下する。この現象は該アルミナ質繊維において
は、本発明者らの検討の結果によると、そのX線
回折像にα−アルミナによる反射が現われること
によつて特徴づけられる。従つて本発明に用いら
れるアルミナ質繊維はそのX線回折像にα−アル
ミナの反射が現われないように製造されたもので
なければならない。
このようなアルミナ質繊維は本発明者らの見い
出したところによれば次にのべるように複合強化
用繊維として優れた性質を有している。まず
10t/cm2以上の高い引張強度と1000t/cm2以上の高
い引張弾性率を有する。また安定な酸化物より成
るので空気中1000℃以上の高温に長時間さらして
も劣化しない。アルミナを主成分とするので各種
溶融金属と接しても反応しにくく安定である。さ
らに密度は2.5から3.5g/cm3であり軽い。これら
の性能は繊維中のシリカ含有率に依存するが、本
発明者らが見い出したところによればシリカ含有
量が28重量%以下、好ましくは2重量%以上、25
重量%以下の場合に最も優れた性能が発現する。
以上述べたアルミナ質繊維は種々の方法で製造
され得る。例えばアルミニウム化合物(アルミナ
ゾル、アルミニウム塩など)とケイ素化合物(シ
リカゲル、エチルシリケートなど)と有機高分子
(ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコー
ルなど)とを含む粘稠な溶液を紡糸して前駆体繊
維を得、これをX線的構造においてα−アルミナ
の反射が見られるようになる温度より低温で空気
中で焼成することにより製造される。あるいは有
機質繊維をアルミニウム化合物とケイ素化合物を
含む溶液中に浸してから空気中で焼成しても製造
される。
最も好ましいアルミナ質繊維は特公昭51−
13768号に述べた方法で製造される。即ちポリア
ルミノキサンとケイ素化合物とを含む溶液を紡糸
して前駆体繊維を得、これを空気中で焼成してア
ルミナ質繊維とする方法である。ここにおいて用
いられるポリアルミノキサンは、一般式
であらわされる構造単位を有する重合物であつ
て、Yはたとえば下記の残基の一種または二種以
上からなる。すなわちメチル基、エチル基、プロ
ピル基、ブチル基などのアルキル基、エトキシ
基、プロポキシ基、ブトキシ基などのアルコキシ
基、ホルミルオキシ基、アセトキシ基などのカル
ボキシル基、フツ素、塩素などのハロゲン、水酸
基、フエノキシ基などである。
またアルミナ質前駆体繊維を焼成する工程から
少なくとも300℃以下において軟化あるいは熔融
しないポリアルミノキサンが特に好ましいもので
ある。このようなものとしてはポリイソプロポキ
シアルミノキサン、ポリアセトキシアルミノキサ
ン、ポリブトキシアルミノキサン、ポリプロピオ
ニルオキシアルミノキサンなどがあげられる。
これらポリアルミノキサンはトリエチルアルミ
ニウム、トリイソプロピルアルミニウム、トリブ
チルアルミニウム、アルミニウムトリエトキサイ
ド、アルミニウムトリブトキサイドなど有機アル
ミニウム化合物の部分加水分解や、得られたポリ
アルミノキサンの有機残基を他の適当な基で置換
することによつて得られる。
ここで用いられるポリアルミノキサンの重合度
は2以上であれば充分であり、特に上限はない
が、重合反応の容易さから、一般に重合度1000以
下のものが用いられる。
ポリアルミノキサンは一般にエチルエーテル、
テトラヒドロフラン、ベンゼン、トルエンなどの
有機溶媒に可溶であり、適当な濃度では曳糸性に
富む粘稠液となる。ポリアルミノキサンの濃度と
その溶液の曳糸性との関係は用いるポリアルミノ
キサンの種類、その重合度、溶媒および下記に述
べるごとく混合するケイ素を含む化合物の種類と
その混合量によつて異なり一義的に述べることは
できないが、一般に室温での粘度が1ポイズ以上
5000ポイズ以下の溶液が紡糸には適当である。し
たがつて紡糸液はこの範囲の粘度を与えるように
調整されなければならない。
紡糸液に少量のポリエチレングリコール、ポリ
ビニルホルマール、ポリ酢酸ビニルなどの有機高
分子、ステアリン酸、パルミチン酸などの脂肪族
カルボン酸、その他適当な有機物を添加しておく
ことは曳糸性向上のために望ましい。
一方、混合するケイ素を含む化合物としては
The present invention uses novel alumina fiber as a reinforcing material,
This invention relates to a fiber-reinforced metal matrix composite material (hereinafter abbreviated as FRM) that uses an aluminum-based metal as a matrix. The aim is to provide a metallic material that is lightweight, has heat resistance, and has excellent mechanical and mechanical properties such as strength, elastic modulus, and fatigue strength in tension, bending, and compression. It is. In recent years, due to rapid technological developments in many industrial fields such as aerospace, nuclear power, and automobiles, materials have become lighter and have superior mechanical properties such as strength and elastic modulus compared to conventional materials, and can be used in high or low temperature ranges. There is a strong desire for materials that can last a long time. However, with existing techniques, it has been difficult to supply materials that fully satisfy all of these conditions. As one of the materials that can meet these demands,
Reinforcement material is inorganic fiber with relatively low specific gravity.
FRM is being actively researched. As inorganic fibers used for these reinforcing materials, boron fibers, carbon fibers, silicon carbide fibers, whiskers such as alumina, etc. have been used so far. Furthermore, the matrix metal differs depending on the use of FRM. For example, when weight reduction is particularly required, magnesium, aluminum, or an alloy thereof is mainly used, and when heat resistance is particularly required, copper, nickel, titanium, or an alloy thereof is mainly used. Among these, FRMs using aluminum or aluminum alloy as the matrix metal are the most studied and prototyped. However, FRM reinforced with this aluminum
The reality is that it still has many drawbacks and cannot be used as a highly reliable material. For example, boron fibers are known as high-strength fibers for reinforcing matrix metals. These fibers easily react with aluminum and easily generate boron compounds at the interface between the fibers and the matrix at relatively high temperatures, resulting in a decrease in the strength of the FRM. For this reason, the above reaction is usually controlled by coating the fiber surface with silicon carbide, but this is still insufficient. Furthermore, boron fibers or silicon carbide-coated boron fibers have a large fiber diameter of around 100 μm, and therefore have the disadvantage of poor flexibility and poor moldability. Next, carbon fibers are easily oxidized in the air, and due to a reaction at the interface with the matrix metal Al.
Produces a brittle layer of Al 4 O 3 and reduces the strength of the composite material. Furthermore, since carbon fibers have good electrical conductivity, an electrolytic corrosion reaction occurs at the interface between the fibers and the matrix metal, resulting in a decrease in fiber strength. For this reason, it has the disadvantage of being susceptible to corrosion, such as salt water resistance. By the way, wetting between carbon and liquid phase aluminum is poor. Therefore, it has been proposed to coat the fiber surface for the purpose of improving wetting and suppressing the reaction at the interface between the fiber and the matrix. However, carbon fibers generally have a thin fiber diameter of 10 μm or less, and it is difficult to coat the entire surface of the fiber reliably and evenly. Furthermore, it is known to coat the surface of carbon fiber with silicon or titanium carbide (Japanese Patent Laid-Open No. 52
-27826, 52-28433) have the disadvantage that the coating is made of ceramic and does not have good wettability with aluminum, which limits the manufacturing method. There is also a method (Japanese Patent Publication No. 37803/1983) in which the surface of carbon fiber is coated with an organometallic compound and then composited with aluminum. This method requires (1) time and expense because it is coated with an organometallic compound that is not easy to handle industrially, such as triethylaluminum, and (2) carbon dioxide is coated with triethylaluminum or diethylaluminum hydride. Even if the fibers are surface-treated and coated with aluminum, an oxide film is immediately formed on this surface, so when composited with aluminum, interfacial bonding occurs due to the oxide film that exists at the interface between the fibers and the matrix metal. The strength is too low to fully demonstrate the strength of the composite material,
It has drawbacks such as: Furthermore, a method of coating the surface of carbon fibers with silicon oxide and silicon carbide is also known (Japanese Patent Laid-Open No. 52-36502). This method also has the disadvantage that it is difficult to reliably and evenly coat the entire surface of a large number of carbon fibers, and when reinforcing aluminum, the coated silicon oxide and silicon carbide are heated to a relatively high temperature to This has the disadvantage of causing a decrease in the strength of the composite material because it reacts with the metal and forms a discontinuous brittle layer at the interface between the coated fiber and the matrix metal. Furthermore, whiskers such as alumina and silicon carbide have extremely high tensile strength and elastic modulus. However, it is difficult to mass-produce whiskers with uniform diameter and length, which is the main reason why whiskers are expensive. Furthermore, when alumina whiskers are composited with a metal, since this structure is α-Al 2 O 3 , there is no disadvantage of reaction with the matrix metal as described above, but on the contrary, there is no reaction between the alumina whisker and the aluminum matrix. It has the disadvantage that it has poor wettability and tends to form pores in the composite material, resulting in poor physical properties of the composite material. The inventors of the present invention have made intensive studies to solve the various drawbacks of the above-mentioned reinforcing fibers, and have found that a composite material in which aluminum or aluminum alloy is reinforced with alumina fibers coated with a metal or an intermetallic compound described below is It was discovered that it is lightweight, highly heat resistant, and has extremely excellent mechanical and mechanical properties. The alumina fibers used in the present invention are continuous fibers having an alumina (Al 2 O 3 ) content of 72% by weight or more and 100% by weight or less, preferably 75% by weight or more and 98% by weight or less, and According to the results of studies conducted by the inventors, it has extremely high tensile strength and elastic modulus. Alumina fibers are much more flexible than boron fibers, and have greater oxidation resistance even at high temperatures than boron fibers or carbon fibers, so they can be used to create metal composite materials. Not only does it offer the manufacturing advantage of being extremely easy to manufacture, but it also does not easily react with a wide variety of metals and has excellent mechanical properties, allowing it to withstand temperatures from room temperature to high temperatures. Composite materials that have high specific strength and specific modulus over a wide temperature range up to It has completely new features that cannot be expected from conventionally used reinforcing fibers. Furthermore, unlike conventionally used reinforcing fibers, the alumina fibers have a large surface area, and therefore various coatings can be efficiently applied to improve the interfacial bonding between the fibers and the matrix. It has advantages. In other words, regarding the above-mentioned properties of the alumina fiber, its strength and elastic modulus are
In μm, these values are 20t/cm 2 and 2200t/cm 2 or more, respectively, and these values are 1250°C in an oxidizing atmosphere.
It will not be lost even if it is kept in For example, a fiber with a diameter of 10μ consisting of a composition of 75% by weight of alumina and 25% by weight of silica exhibits a tensile strength of 29t/cm 2 and a tensile modulus of 2400t/cm 2 .
It still has a tensile strength of 20t/cm 2 or more even after being held at ℃ for 1 hour. Furthermore, the surface area of the alumina fibers, as measured by the Bett method, is approximately 100 m 2 /g to 600 m 2 /g in the above composition range. The present invention improves the wettability between the fibers and aluminum by coating the fibers with such a large surface area with a metal or metal compound that wets well with aluminum and is difficult to dissolve in the liquid phase of aluminum. The aim is to provide an FRM that suppresses the reaction at the interface between fibers and aluminum, and has unprecedented strength and elastic modulus at all temperatures up to just below the melting point of the matrix metal. By the way, the composite material of alumina fiber and metal having a melting point of 1700° C. or less used in the present invention is already known (Japanese Unexamined Patent Publication No. 109903/1982), and various FRMs can be obtained. However, when aluminum or aluminum alloy is used as the matrix metal, it is difficult for the alumina fibers and the matrix metal to get wet relatively easily unless the fibers are surface-treated. In this case, relatively high impregnation pressure is required. Furthermore, in order to eliminate this drawback in the manufacturing method, a method is known in which the surface of alumina fiber is coated with metal nickel and composited with a metal whose melting point is 1700°C or less (Japanese Patent Application Laid-Open No. 109904/1983). When aluminum or an aluminum alloy is used as the matrix metal, intermetallic compounds such as Al 3 Ni are formed at the interface between aluminum and nickel, and since these intermetallic compounds are brittle, the resulting composite material Mechanical properties such as tensile strength remain at lower values than those according to the invention. In order to obtain good fibers for reinforcing the conventional aluminum or aluminum alloys described above, the present inventors have developed a new alumina fiber with a type of aluminum having a maximum dissolution amount of 1% by weight or less in the liquid phase on the surface of the new alumina fiber. If the above metals or intermetallic compounds of these two types are coated and this is composited with aluminum or an alloy containing aluminum, the FRM manufacturing method will be simplified because the fibers and matrix metal will have good wetting. It was discovered that the resulting composite material is lightweight, highly heat resistant, and has extremely excellent mechanical and mechanical properties, leading to the present invention. The present invention will be explained in more detail below. First, the alumina fiber used in the present invention has an alumina (Al 2 O 3 ) content of 72% by weight or more and 100% by weight.
The content of silica (SiO 2 ) is preferably 75% by weight or more and 98% by weight or less, and the silica (SiO 2 ) content is preferably 0% by weight or more, 28% by weight or less.
Less than 2% by weight, preferably 2% by weight or more, 25% by weight
It has the following composition. In addition, in the silica content, lithium, beryllium, boron, sodium, magnesium, silicon, phosphorus, potassium, calcium, titanium, Chromium, manganese, yttrium, zirconium,
It may be replaced with one or more oxides of lanthanum, tungsten, and barium. In addition, in the X-ray structure of the alumina fiber, α
- It is desirable that the material exhibits substantially no alumina reflection. Generally, in inorganic fibers, crystal grains of the inorganic substance that form fibers grow within the fibers at high temperatures, and fiber strength is significantly reduced due to grain boundary destruction between these crystal grains. According to the results of studies conducted by the present inventors, this phenomenon is characterized by the appearance of reflection by α-alumina in the X-ray diffraction image of the alumina fiber. Therefore, the alumina fiber used in the present invention must be manufactured so that reflection of α-alumina does not appear in its X-ray diffraction image. According to the findings of the present inventors, such alumina fibers have excellent properties as composite reinforcing fibers, as described below. first
It has a high tensile strength of 10t/cm2 or more and a high tensile modulus of 1000t/cm2 or more. Also, since it is made of stable oxide, it will not deteriorate even if exposed to high temperatures of over 1000℃ in the air for a long time. Since the main component is alumina, it is stable and does not react easily even when it comes into contact with various molten metals. Furthermore, it has a density of 2.5 to 3.5 g/cm 3 and is light. These performances depend on the silica content in the fiber, but the inventors have found that when the silica content is 28% by weight or less, preferably 2% by weight or more, 25
The best performance is achieved when the amount is less than % by weight. The alumina fibers described above can be produced by various methods. For example, a precursor fiber is obtained by spinning a viscous solution containing an aluminum compound (alumina sol, aluminum salt, etc.), a silicon compound (silica gel, ethyl silicate, etc.), and an organic polymer (polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, etc.). in air at a temperature below the temperature at which reflections of α-alumina are visible in the X-ray structure. Alternatively, it can be produced by immersing organic fibers in a solution containing an aluminum compound and a silicon compound and then firing them in air. The most preferable alumina fiber is
Manufactured by the method described in No. 13768. That is, this method involves spinning a solution containing polyaluminoxane and a silicon compound to obtain precursor fibers, which are then fired in air to produce alumina fibers. The polyaluminoxane used here has the general formula A polymer having a structural unit represented by, for example, Y consists of one or more of the following residues. In other words, alkyl groups such as methyl, ethyl, propyl, and butyl groups, alkoxy groups such as ethoxy, propoxy, and butoxy groups, carboxyl groups such as formyloxy and acetoxy groups, halogens such as fluorine and chlorine, and hydroxyl groups. , phenoxy group, etc. Particularly preferred are polyaluminoxanes that do not soften or melt at temperatures below 300° C. during the step of firing the alumina precursor fibers. Examples of such aluminoxane include polyisopropoxyaluminoxane, polyacetoxyaluminoxane, polybutoxyaluminoxane, and polypropionyloxyaluminoxane. These polyaluminoxanes are produced by partial hydrolysis of organoaluminum compounds such as triethylaluminum, triisopropylaluminum, tributylaluminum, aluminum triethoxide, and aluminum tributoxide, and by substituting the organic residues of the resulting polyaluminoxane with other suitable groups. obtained by doing. It is sufficient that the degree of polymerization of the polyaluminoxane used here is 2 or more, and there is no particular upper limit, but from the viewpoint of ease of polymerization reaction, polyaluminoxane having a degree of polymerization of 1000 or less is generally used. Polyaluminoxane is generally ethyl ether,
It is soluble in organic solvents such as tetrahydrofuran, benzene, and toluene, and at appropriate concentrations becomes a viscous liquid with excellent stringiness. The relationship between the concentration of polyaluminoxane and the stringiness of its solution varies depending on the type of polyaluminoxane used, its degree of polymerization, the solvent, and the type and amount of the silicon-containing compound mixed as described below. Although it cannot be stated, the viscosity at room temperature is generally 1 poise or more.
Solutions below 5000 poise are suitable for spinning. The spinning solution must therefore be adjusted to provide a viscosity within this range. Adding a small amount of organic polymers such as polyethylene glycol, polyvinyl formal, and polyvinyl acetate, aliphatic carboxylic acids such as stearic acid and palmitic acid, and other appropriate organic substances to the spinning solution can improve spinnability. desirable. On the other hand, as a compound containing silicon to be mixed with
【式】の構造単位を有するポリオルガノシ ロキサン、Polyorganosine having the structural unit of [Formula] Roxane,
【式】の構造単位を有するポリ
ケイ酸エステル(R1およびR2は有機原子団)が
適当なものであるが、RoSiX4-oの構造を有する
オルガノシラン(XはOH、ORなどであり、R
は有機原子団、nは4以下の整数)、Si(OR)4の
構造を有するケイ酸エステル(Rは有機原子
団)、その他ケイ素を含む化合物の一般が用いら
れ得る。
混合するケイ素を含む化合物はシリカ含有率の
大きいものが望ましいが、小さいものでも用いら
れ得る。特にシリカ含有率の小さいアルミナ質繊
維を製造する際には、混合するケイ素を含む化合
物のシリカ含有率は小さくてもよい。
また混合するケイ素を含む化合物は上記ポリア
ルミノキサン溶液に均一に溶解混合することが望
ましいが、溶解せずに分散して混合していても良
い。
また場合によつてはケイ素を含む2種以上の化
合物をポリアルミノキサン溶液に混合することが
有効である。
さらに紡糸液に少量のリチウム、ベリリウム、
ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、リン、カリ
ウム、カルシウム、チタニウム、クロム、マンガ
ン、イツトリウム、ジルコニウム、ランタン、タ
ングステンなどを含む化合物の一種あるいは二種
以上を添加しておくことは、得られるアルミナ質
繊維の諸物性を向上させるために望ましいことで
ある。
ポリアルミノキサンおよびケイ素を含む化合物
の混合溶液から紡糸を行なうには、いわゆる乾式
紡糸が好都合であるが、遠心紡糸、吹き出し紡糸
など他の適当な紡糸方法に従つてもよい。紡糸は
室温で行なわれるが、必要であれば紡糸液を加熱
して行なうこともできる。また紡糸された繊維の
周囲の雰囲気を調整することも好結果を得るため
に望ましいことである。繊維に含まれる溶媒の乾
燥除去は繊維が細い場合には特に必要でないが、
紡糸中あるいは紡糸後にこれを行なうこともでき
る。
ここで製造される前駆体繊維は通常1〜600μ
の平均直径を有している。しかしながらこの範囲
に限定されるものではない。
このようにして得られたアルミナ質繊維前駆体
はアルミナ形成物が高濃度で均一に連続した状態
で繊維状に形成されているため、焼成後のアルミ
ナ質繊維の諸物性の向上には極めて好都合なもの
である。
このようにして得られるアルミナ質繊維前駆体
は熱に対して不融であり、そのまま空気などの酸
素を含む雰囲気中で焼成すれば、繊維の形態をく
ずすことなく容易にアルミナ質繊維とすることが
できる。すなわち該前駆体繊維を酸素を含む雰囲
気、例えば空気中で焼成すれば約700℃において
実質的にアルミナ質繊維に変化し、約1000〜1200
℃において透明で強度のあるアルミナ質繊維が得
られる。またこれら各種のアルミナ質繊維を得る
ために該前駆体繊維を窒素のような不活性雰囲気
中、あるいは真空中で焼成したのち、酸素を含む
雰囲気にさらして有機質あるいは炭素質を除去し
てもよい。また得られたアルミナ質繊維を水素の
ような還元性雰囲気中でさらに焼成することはア
ルミナ質繊維の諸物性向上のために望ましいこと
である。またこれらの焼成工程中、前駆体繊維あ
るいはアルミナ質繊維に張力をかけておくことは
強いアルミナ質繊維を製造するために望ましいこ
とである。いずれの場合においても最高焼成温度
はX線的にα−アルミナの反射が見られないよう
に設定する。
このように特公昭51−13768号に述べた方法に
より繊維直径が0.6から400μ、引張強度が10から
30t/cm2、弾性率が1000から3000t/cm2、空気中
1000℃以上で長時間安定なアルミナ質繊維が製造
されるが、このような繊維は本発明に用いるに最
も適したものである。
次に、該アルミナ質繊維の表面に金属もしくは
金属間化合物の被覆を形成する材質、形態ならび
に方法について述べる。まず被覆材質としては、
液相状態にあるアルミニウムへの最大溶解量が1
重量%以下である一種以上の金属もしくはこれら
二種の金属間化合物でなければならない。なぜな
らば、アルミナ質繊維の被覆材質の条件として
は、(1)マトリツクス金属(アルミニウムおよびア
ルミニウム合金)とぬれが良好であること、(2)マ
トリツクス金属と反応性が小さいこと、が挙げら
れる。まず条件(1)の評価として液相アルミニウム
との接触角を酸化物、炭化物、窒素物、ホウ化物
などのセラミツクスでみると、アルミニウムもし
くはアルミニウム合金の溶融点から大幅に高い温
度でない限り、いずれも90゜以上であつてぬれは
悪い。したがつて、被覆材質としては液相アルミ
ニウムとぬれが良好な金属もしくは金属間化合物
であるとFRMの複合化も容易に行なえるので好
ましい。次に条件(2)は、この被覆金属もしくは金
属間化合物の、液相アルミニウムに対する溶解度
が小さいということである。この溶解度はアルミ
ニウムとの二元状態図から評価できる。たとえ
ば、液相Al中での最大溶解量が6.1重量%のNi
や、33.2重量%のCuをアルミナ質繊維に被覆し
て、アルミニウムと複合化するとたしかに繊維と
マトリツクス金属のぬれは改善できて、液体金属
含浸法などでは含浸圧力を大幅に低下させること
ができる。しかしながら、前述のように被覆物が
マトリツクス中に拡散して、Al−Ni、Al−Cuの
脆い金属間化合物層が、繊維とマトリツクス金属
界面に形成され、またアルミニウムとの反応抑制
のための被覆層が繊維表面からなくなり、繊維と
アルミニウムとの反応が生じ、繊維の強度低下を
もたらし、得られた脆い材料となつてしまう。し
たがつて、被覆材質としては液相中での最大溶解
量が1重量%以下のB(0.022)、Zr(0.11)、Ti
(0.15)、V(0.25)、Cr(0.41)、Hf(0.49)、Ru
(0.69)、Be(0.87)、Co(1.0)〔( )内は最大溶
解の重量%〕、好ましくは上記のうちで0.5重量%
以下の金属、更に好ましくは0.15重量%以下の一
種以上の金属単体、もしくはTi/B、Zr/Bな
どのような上記の二種の金属間化合物が本発明に
適用できる。なお、複合材料の軽量化が特に要求
される場合には、密度が10g/cm2以下の金属被覆
が好ましい。更に好ましくは密度が7g/cm2以下
の金属(Be、B、Ti、Zr、Co)もしくはこれら
の金属間化合物が本発明に適する。
次に被覆形態であるが、マトリツクス金属との
ぬれを改善し、かつ繊維とマトリツクスの反応を
抑制できる被覆層であれば、この層の厚みはでき
る限り薄い方が望ましい。なぜならば、繊維径に
対する被覆厚さが増大すると、複合材料の繊維体
積含有率を増加させることができなかつたり、時
には複合材の比重の増加をきたすからである。こ
の厚さのオーダーは、アルミナ質繊維の径によつ
ても異なるが、15μmの繊維径の場合、0.01〜5
μm、好ましくは0.05〜1μm、更に好ましくは
0.1〜0.5μmの範囲であると、繊維とマトリツク
ス金属とのぬれが改善でき、かつこれらの界面で
の反応を抑制できることを、本発明者らは確め
た。
更に被覆方法についてのべると該アルミナ質繊
維の表面に、アルミニウムの液相中への最大溶解
量が1重量%以下の一種以上の金属もしくはこれ
ら二種の金属間化合物の被膜を形成させるには、
(1)溶融メツキ法、(2)溶射法(火炎溶射、プラズマ
スプレー)、(3)蒸着法(真空蒸着、化学蒸着、ス
パツタリング、イオンプレーテイング)、(4)電析
法(化学メツキ)などの方法を用いることができ
る。
なお、繊維の形態としては連続アルミナ質繊維
のままでもよいが、長繊維および短繊維のいずれ
であつても本発明を適用することができる。ただ
し、短繊維を用いる場合には、複合化理論から考
えて、アスペクト比(繊維径に対する繊維長の
比)が10以上、好ましくは50以上のものでなけれ
ばならない。
さらに、種々の目的に合致した金属基複合材料
を得るために、たとえば織布などのように、アル
ミナ質繊維にボロン繊維、黒鉛繊維、ウイスカー
などの他の無機質もしくは金属繊維を併用するこ
ともできる。
一方、本発明においては、マトリツクスとして
アルミニウムもしくはアルミニウム合金が用いら
れる。アルミニウム合金とはアルミニウムを40重
量%以上含み、以下の元素を1〜5種含有する合
金である。この添加元素としては、リチウム、
銀、銅、けい素、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウ
ム、マグネシウム、マンガン、クロム、ニツケ
ル、鉛、錫などがあげられる。アルミニウム合金
において合金組成中のアルミニウムの含有量が40
重量%以上の合金としたのは、以下の理由によ
る。アルミナ質繊維表面への被覆材の状態とし
て、ムラなく均一に被覆されていて、かつできる
だけ薄く被覆されていることが望ましい。したが
つて被覆材質としては、溶融アルミニウムへの溶
解度が極端に小さいものが望ましい。そして、こ
の被覆材とアルミニウムとの界面反応による結合
力により、機械的性質の優れた複合材料ができ
る。しかるに、アルミニウム合金においてアルミ
ニウムの含有比率が低下するとともに、被覆材と
アルミニウムとの界面の結合力が連続的に低下す
る。このことはチタン被覆をした(被覆厚0.3μ
m)アルミナ質繊維を、組成比を適宜変えたZn
−Al系二元合金と複合化し(繊維体積含有率50
%に固定)、その複合材の引張・曲げ強度および
破断面での繊維とマトリツクスとの界面の状態か
ら判定して、アルミニウム含有比率が40重量%以
上であることを確認した。
本発明の、金属もしくは金属間化合物で被覆し
たアルミナ質繊維によつてアルミニウムもしくは
アルミニウム合金を強化した金属複合材料を製造
するには、FRM材料でこれまで提案されている
公知のすべての製法を用いることができる。すな
わちこの主なものは、(1)液体金属含浸法のような
液相法、(2)拡散接合のような固相法、(3)粉末冶金
(焼結、溶結)法、(4)溶射、電析、蒸着などの沈
積法、(5)押出、圧延などの塑性加工法などであ
る。
本発明に用いられる複合材料中のアルミナ質繊
維の繊維体積含有率は増加するにつれて、強度、
弾性率が増加する。しかし、この体積分率の上限
は、連続繊維もしくは長繊維などで一方向に配列
した複合材で68%、短繊維でランダムに配列させ
た複合材で45%であつた。なぜならば、これらの
値を越えて繊維を含有させると、引張強度および
曲げ強度が低下する傾向が見られたからである。
本発明の意義として、アルミナ質繊維の表面
に、アルミニウムの液相中への最大溶解量が1重
量%以下の金属のうちの一種以上の金属単体、も
しくはこれら二種の金属間化合物を被覆すること
によつて、アルミナ質繊維とアルミニウムもしく
はアルミニウム合金とのぬれを良好にして、たと
えば液体金属圧入法などのようなFRM作成法で
は、含浸圧力を大幅に低減できるという複合材料
の製法上の利点があるということがまず挙げられ
る。次に、繊維の表面処理を施さずとも良好な複
合材を得ることができるが、本発明のように金属
もしくは金属間化合物被覆アルミナ質繊維を用い
ると、マトリツクス金属であるアルミニウムもし
くはアルミニウム合金が金属間反応を適当量おこ
すために、複合材料中の繊維とマトリツクスの界
面では強すぎず弱すぎず、適当な結合強度を有す
ることになり、複合材料の破壊力学理論からも予
想されるように、この系で更に優れた強度などの
力学的性質を発揮させることができるという利点
がある。
このようにして本発明により得られたアルミナ
質繊維強化アルミニウムもしくはアルミニウム系
金属複合材料は、繊維体積含有率が50%の場合に
は、まず密度が2.9g/cm3と鉄鋼の1/3程度の軽量
材である。引張強度は100Kg/mm2以上で炭素鋼の
1.5〜2倍あり、比弾性率(ヤング率/密度)は
鉄鋼の約2倍である。また疲労強度についても、
107回で疲労破断した時の応力は静的引張強度の
69〜73%と非常に高い値を示し、他の金属合金に
はみられない特長をもつた材料である。
さらにアルミナ質繊維が電気絶縁性であること
から、炭素繊維やボロン繊維で、アルミニウムも
しくはアルミニウム合金を強化した場合に生ずる
繊維とマトリツクス界面での電蝕による製品の劣
化がまつたく見られないことも、アルミナ質繊維
で強化した金属材料の大きな特長である。
また繊維強化樹脂にくらべて、耐候性、耐油性
に優れ、さらに高温あるいは低温域での耐熱性の
ある製品を得ることができることも、本発明の効
果である。
以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明
するが、本発明はこれによつて限定されるもので
はない。
実施例 1
平均繊維径15μ、フイラメント本数200本で密
度3.05g/cm3の連続アルミナ質繊維(Al2O3含有
率85重量%、SiO2含有率15重量%、引張強度
26.3t/cm2、引張弾性率2350t/cm2)を800℃に加
熱した化学蒸着炉(均熱長:800±7℃の温度範
囲の長さが10cm)内に引き入れ、他方より1cm/
minの速度で繊維を巻きとるようにして、炉内に
四塩化チタンの蒸気40ml/minと水素ガス60ml/
minの割合での混合ガスを送り込み、800℃付近
での水素の還元作用により、繊維の表面に金属チ
タンを被覆した。繊維上の被覆厚みは走査型電子
顕微鏡の観察により、平均0.3μmと薄く、かつ
繊維全面にわたつてムラなく均一に被覆されてい
ることを確めた。またチタンが被覆されているこ
とは、X線光電子分光装置(島津−デユポン製、
ESCA650B)により確認した。
この金属チタン被覆連続アルミナ質繊維を150
mmの長さに切りそろえ束ねて、内径8mmの鋳型管
に平行に引き入れた。次いでアルゴンガス雰囲気
中で700℃に保つた溶融アルミニウム(純度99.9
%)の中に鋳型管の一端を浸し、他方を真空脱気
して、アルミナ質繊維間へアルミニウムの溶浸を
実現した。その後系を一方向から冷却してアルミ
ニウムを凝固させ、一方向に強化したFRMを得
た。この方法により複合材料中の繊維体積含有率
30、40、50、60%の複合材を各々10本づつ作成し
た。このようにして得たチタン被覆アルミナ質繊
維で強化したアルミニウム材の常温域での引張強
度、引張弾性率および曲げ強度、曲げ剛性率は繊
維体積含有率が60%までにおいて直線的に増加す
ることがわかつた。たとえば、繊維体積含有率50
%の複合材料で平均の引張強度が102Kg/mm2、曲
げ強度138Kg/mm2、圧縮強度は230Kg/mm2であつて
引張弾性率は1.4×104Kg/mm2であつた。
実施例 2
実施例1で述べたアルミナ質繊維の表面にスパ
ツタリング法により、金属チタンの被覆をおこな
つた。チタン・スパツタリングは、エイコー・エ
ンジニアリング製、IB−3形・エイコー・イオ
ンコーターを使用し、アルゴンガス雰囲気下、ス
パツタリング速度20Å/minで0.5μの厚みで、
チタンを繊維表面を均一に被覆した。このことは
走査型電子顕微鏡およびX線光電子分光装置で確
認した。このように作成したチタン被覆アルミナ
質繊維は、実施例1で述べた液体金属含浸法によ
りアルミニウム(純度99.9%)と複合化した。繊
維体積含有率50%のFRMにおいて引張強度およ
び引張弾性率を−200℃〜600℃の領域で測定した
結果、チタン被覆アルミナ質繊維で強化したアル
ミニウム複合材は、低温からアルミニウムの融点
近傍まで、引張強度および引張弾性率を殆んど変
えないことが判明した。たとえば、引張強度は−
200℃で103Kg/mm2、25℃で110Kg/mm2、630℃で
101Kg/mm2であり、引張弾性率を630℃においても
1.26×104Kg/mm2と、25℃での値(1.40×104Kg/
mm2)の90%を維持していることを確認した。
実施例 3
実施例1で述べたアルミナ質繊維の表面にチタ
ニウム−ボロン金属間化合物の被覆を施し、実施
例1で示した液体金属溶浸法により、アルミニウ
ム合金〔Al−12Si(シルミン組成)〕と複合化し
た。すなわちアルミナ質繊維を、四塩化チタン
(20ml/min)、三臭化ホウ素(20ml/min)、水素
ガス(60ml/min)の混合された反応ガスが流通
している化学蒸着炉(900℃恒温、均熱長〔900〜
890℃〕域は12cm)に引き入れ、他方より0.5cm/
minの速度で繊維を巻き取り、繊維の表面に平均
0.6μの厚さでチタニウム−ボロン金属間化合物
の被覆を施した。この被覆厚みとチタン−ボロン
の存在は、それぞれ走査型電子顕微鏡およびX線
光電子分光装置で確認した。この被覆されたアル
ミナ質繊維束間に620℃にて保たれた溶融シルミ
ンを実施例1で示した液体金属含浸法により、複
合材を得た。得られた複合材の引試試験をおこな
つたところ、繊維体積含有率50%で引張強度110
Kg/mm2、引張弾性率1400t/cm2であつた。
また、残りの試料から引張疲労試験片を切削加
工し疲労強度を測定した。測定機は島津製作所製
サーボパルサEHF−E5形で、測定条件は25℃、
繰り返し周波数30Hz、荷重制御で出力波形は正弦
波である。繰り返し応力(S)の振幅を変化さ
せ、疲労破壊するまでの繰り返し回数(N)を測
定し、S−N曲線を得た。この結果判明したこと
は、N=107回で疲労破断した時の応力は静的引
張強度の69〜73%と非常に高い値を示した。この
ことにより他の金属合金にはみられない特長が見
出された。A polysilicate ester having the structural unit of [Formula] (R 1 and R 2 are organic atomic groups) is suitable, but an organosilane having the structure R o SiX 4-o (X is OH, OR, etc.) is suitable. Yes, R
is an organic atomic group, n is an integer of 4 or less), a silicate ester having a structure of Si(OR) 4 (R is an organic atomic group), and other silicon-containing compounds in general can be used. It is desirable that the silicon-containing compound to be mixed has a high silica content, but one with a low silica content may also be used. In particular, when producing alumina fibers with a low silica content, the silica content of the silicon-containing compound to be mixed may be small. Further, it is desirable that the silicon-containing compound to be mixed is uniformly dissolved and mixed in the polyaluminoxane solution, but it may be dispersed and mixed without being dissolved. In some cases, it may be effective to mix two or more silicon-containing compounds into the polyaluminoxane solution. Furthermore, a small amount of lithium, beryllium,
Adding one or more compounds containing boron, sodium, magnesium, phosphorus, potassium, calcium, titanium, chromium, manganese, yttrium, zirconium, lanthanum, tungsten, etc. will improve the quality of the alumina fibers obtained. This is desirable for improving physical properties. For spinning from a mixed solution of a compound containing polyaluminoxane and silicon, so-called dry spinning is convenient, but other suitable spinning methods such as centrifugal spinning and blow spinning may be used. Spinning is carried out at room temperature, but the spinning solution can be heated if necessary. It is also desirable to control the atmosphere surrounding the spun fibers to obtain good results. Dry removal of the solvent contained in the fibers is not particularly necessary when the fibers are thin, but
This can also be done during or after spinning. The precursor fibers produced here are usually 1 to 600μ
It has an average diameter of However, it is not limited to this range. The alumina fiber precursor obtained in this way is formed into a fiber with a high concentration of alumina formed and uniformly continuous, which is extremely convenient for improving the physical properties of the alumina fiber after firing. It is something. The alumina fiber precursor obtained in this way is infusible to heat, and if it is fired as it is in an atmosphere containing oxygen such as air, it can be easily converted into alumina fiber without changing the fiber shape. Can be done. That is, if the precursor fiber is fired in an oxygen-containing atmosphere, for example, air, it will substantially change to an alumina fiber at about 700°C, with an
A transparent and strong alumina fiber can be obtained at ℃. In order to obtain these various alumina fibers, the precursor fibers may be fired in an inert atmosphere such as nitrogen or in vacuum, and then exposed to an oxygen-containing atmosphere to remove organic or carbonaceous materials. . Further, it is desirable to further sinter the obtained alumina fiber in a reducing atmosphere such as hydrogen in order to improve various physical properties of the alumina fiber. It is also desirable to maintain tension on the precursor fibers or alumina fibers during these firing steps in order to produce strong alumina fibers. In either case, the maximum firing temperature is set so that no reflection of α-alumina is seen in X-rays. In this way, by the method described in Japanese Patent Publication No. 51-13768, the fiber diameter is from 0.6 to 400 μ and the tensile strength is from 10 to
30t/cm 2 , elastic modulus 1000 to 3000t/cm 2 , in air
Alumina fibers are produced that are stable for long periods of time at temperatures above 1000°C, and such fibers are most suitable for use in the present invention. Next, the material, form, and method for forming a metal or intermetallic compound coating on the surface of the alumina fiber will be described. First, the covering material is
The maximum amount dissolved in aluminum in liquid phase is 1
It must be less than or equal to % by weight of one or more metals or an intermetallic compound of these two. This is because the conditions for the covering material of the alumina fibers include (1) good wetting with the matrix metal (aluminum and aluminum alloy), and (2) low reactivity with the matrix metal. First, as an evaluation of condition (1), when looking at the contact angle with liquid phase aluminum for ceramics such as oxides, carbides, nitrogen compounds, and borides, it is found that unless the temperature is significantly higher than the melting point of aluminum or aluminum alloy, the contact angle with liquid phase aluminum is If the angle is 90° or more, wetting is poor. Therefore, it is preferable that the coating material be a metal or an intermetallic compound that has good wettability with liquid phase aluminum, since it can easily form a composite of FRM. Next, condition (2) is that the solubility of the coating metal or intermetallic compound in liquid phase aluminum is low. This solubility can be evaluated from the binary phase diagram with aluminum. For example, Ni with a maximum dissolution amount of 6.1% by weight in liquid phase Al
If 33.2% by weight of Cu is coated on alumina fibers and composited with aluminum, wetting of the fibers and matrix metal can certainly be improved, and the impregnation pressure can be significantly lowered using liquid metal impregnation methods. However, as mentioned above, the coating diffuses into the matrix, forming a brittle intermetallic compound layer of Al-Ni and Al-Cu at the interface between the fibers and the matrix metal, and the coating is also used to suppress the reaction with aluminum. The layer is removed from the fiber surface and a reaction between the fiber and the aluminum occurs, leading to a decrease in the strength of the fiber and the resulting brittle material. Therefore, as coating materials, B (0.022), Zr (0.11), and Ti with a maximum dissolution amount of 1% by weight or less in the liquid phase are recommended.
(0.15), V (0.25), Cr (0.41), Hf (0.49), Ru
(0.69), Be (0.87), Co (1.0) [The weight percentage in parentheses is the maximum dissolution], preferably 0.5% by weight of the above
The following metals, more preferably 0.15% by weight or less of one or more elemental metals, or the above-mentioned two types of intermetallic compounds such as Ti/B and Zr/B can be applied to the present invention. In addition, when it is particularly required to reduce the weight of the composite material, a metal coating having a density of 10 g/cm 2 or less is preferable. More preferably, metals (Be, B, Ti, Zr, Co) or intermetallic compounds thereof having a density of 7 g/cm 2 or less are suitable for the present invention. Next, regarding the coating form, as long as the coating layer can improve wetting with the matrix metal and suppress the reaction between the fibers and the matrix, it is desirable that the thickness of this layer be as thin as possible. This is because if the coating thickness increases relative to the fiber diameter, the fiber volume content of the composite material cannot be increased, and sometimes the specific gravity of the composite material increases. The order of this thickness varies depending on the diameter of the alumina fiber, but in the case of a fiber diameter of 15 μm, it is 0.01 to 5 μm.
μm, preferably 0.05 to 1 μm, more preferably
The present inventors have confirmed that when the thickness is in the range of 0.1 to 0.5 μm, wetting between the fibers and the matrix metal can be improved and reactions at these interfaces can be suppressed. Furthermore, regarding the coating method, in order to form a coating of one or more metals or an intermetallic compound of these two types in which the maximum amount of aluminum dissolved in the liquid phase is 1% by weight or less on the surface of the alumina fiber,
(1) Melt plating method, (2) Thermal spray method (flame spraying, plasma spray), (3) Evaporation method (vacuum deposition, chemical vapor deposition, sputtering, ion plating), (4) Electrodeposition method (chemical plating), etc. The following method can be used. Although the fibers may be in the form of continuous alumina fibers, the present invention can be applied to either long fibers or short fibers. However, when short fibers are used, the aspect ratio (ratio of fiber length to fiber diameter) must be 10 or more, preferably 50 or more, considering the composite theory. Furthermore, in order to obtain metal matrix composite materials that meet various purposes, alumina fibers can be used in combination with other inorganic or metal fibers such as boron fibers, graphite fibers, and whiskers, such as in woven fabrics. . On the other hand, in the present invention, aluminum or an aluminum alloy is used as the matrix. An aluminum alloy is an alloy containing 40% by weight or more of aluminum and 1 to 5 of the following elements. The additive elements include lithium,
Examples include silver, copper, silicon, zinc, gallium, germanium, magnesium, manganese, chromium, nickel, lead, and tin. In aluminum alloys, the content of aluminum in the alloy composition is 40
The reason why the alloy is made to be more than % by weight is as follows. It is desirable that the coating material be applied to the surface of the alumina fibers evenly and as thinly as possible. Therefore, it is desirable that the coating material has extremely low solubility in molten aluminum. The bonding force generated by the interfacial reaction between the coating material and aluminum creates a composite material with excellent mechanical properties. However, as the content ratio of aluminum in the aluminum alloy decreases, the bonding strength at the interface between the coating material and aluminum continuously decreases. This means that titanium coating (coating thickness 0.3μ
m) Zn made by changing the composition ratio of alumina fibers as appropriate
- Composite with Al-based binary alloy (fiber volume content 50
It was confirmed that the aluminum content ratio was 40% by weight or more, as determined from the tensile and bending strength of the composite material and the state of the interface between the fiber and matrix at the fracture surface. To manufacture the metal composite material of the present invention in which aluminum or aluminum alloy is reinforced with alumina fibers coated with a metal or an intermetallic compound, all known manufacturing methods that have been proposed so far for FRM materials are used. be able to. The main methods are (1) liquid phase methods such as liquid metal impregnation, (2) solid phase methods such as diffusion bonding, (3) powder metallurgy (sintering, welding), and (4) thermal spraying. , deposition methods such as electrodeposition and vapor deposition, and (5) plastic processing methods such as extrusion and rolling. As the fiber volume content of alumina fibers in the composite material used in the present invention increases, the strength and
The elastic modulus increases. However, the upper limit of this volume fraction was 68% for composites made of continuous fibers or long fibers arranged in one direction, and 45% for composites made of randomly arranged short fibers. This is because when the fiber content exceeds these values, the tensile strength and bending strength tend to decrease. The meaning of the present invention is that the surface of the alumina fiber is coated with one or more single metals, or an intermetallic compound of two of these metals, in which the maximum amount of aluminum dissolved in the liquid phase is 1% by weight or less. In particular, this is an advantage of the composite material manufacturing method in that the wetting of the alumina fibers with aluminum or aluminum alloy is improved, and the impregnation pressure can be significantly reduced in FRM production methods such as the liquid metal injection method. The first thing to mention is that there is. Next, although it is possible to obtain a good composite material without surface treatment of the fibers, when alumina fibers coated with a metal or an intermetallic compound are used as in the present invention, aluminum or an aluminum alloy as a matrix metal becomes a metal. In order to cause an appropriate amount of interfacial reaction, the interface between the fibers and the matrix in the composite material must have an appropriate bonding strength, neither too strong nor too weak, and as expected from the fracture mechanics theory of composite materials, This system has the advantage of being able to exhibit even better mechanical properties such as strength. The alumina fiber-reinforced aluminum or aluminum-based metal composite material thus obtained according to the present invention has a density of 2.9 g/cm 3 , which is approximately 1/3 that of steel, when the fiber volume content is 50%. It is a lightweight material. The tensile strength is 100Kg/ mm2 or more, which is higher than that of carbon steel.
The specific elastic modulus (Young's modulus/density) is approximately twice that of steel. Regarding fatigue strength,
10 The stress at the time of fatigue failure after 7 cycles is equal to the static tensile strength.
It exhibits an extremely high value of 69-73%, and is a material with features not found in other metal alloys. Furthermore, since alumina fibers are electrically insulating, the product will not deteriorate due to electrolytic corrosion at the interface between the fibers and the matrix, which occurs when aluminum or aluminum alloy is reinforced with carbon fibers or boron fibers. This is a major feature of metal materials reinforced with alumina fibers. Another advantage of the present invention is that it is possible to obtain a product that is superior in weather resistance and oil resistance compared to fiber-reinforced resins, and is also heat resistant at high or low temperatures. EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto. Example 1 Continuous alumina fibers with an average fiber diameter of 15 μm, a density of 3.05 g/cm 3 with a number of filaments of 200 (Al 2 O 3 content 85% by weight, SiO 2 content 15% by weight, tensile strength
26.3t/cm 2 , tensile modulus 2350t/cm 2 ) into a chemical vapor deposition furnace heated to 800°C (soaking length: 10cm in the temperature range of 800±7°C), and 1cm/cm away from the other side.
While winding the fiber at a speed of
A mixed gas was fed at a rate of 10 min, and the surface of the fiber was coated with metallic titanium by the reducing action of hydrogen at around 800°C. It was confirmed by observation using a scanning electron microscope that the coating thickness on the fibers was as thin as 0.3 μm on average, and that the coating was uniform and even over the entire surface of the fibers. Furthermore, the fact that the titanium is coated means that the
Confirmed using ESCA650B). This metal titanium coated continuous alumina fiber is 150
They were cut into lengths of mm, bundled, and drawn in parallel into a mold tube with an inner diameter of 8 mm. Next, molten aluminum (purity 99.9
%), and the other end was vacuum degassed to achieve infiltration of aluminum between the alumina fibers. The system was then cooled from one direction to solidify the aluminum, yielding a unidirectionally strengthened FRM. This method reduces the fiber volume content in composite materials.
Ten pieces each of 30, 40, 50, and 60% composite materials were made. The tensile strength, tensile modulus, flexural strength, and flexural rigidity of the aluminum material reinforced with titanium-coated alumina fibers obtained in this way increase linearly at room temperature when the fiber volume content reaches 60%. I understood. For example, fiber volume content 50
% composite material had an average tensile strength of 102 Kg/mm 2 , a bending strength of 138 Kg/mm 2 , a compressive strength of 230 Kg/mm 2 and a tensile modulus of 1.4×10 4 Kg/mm 2 . Example 2 The surface of the alumina fiber described in Example 1 was coated with metallic titanium by sputtering. Titanium sputtering was performed using an IB-3 type Eiko ion coater manufactured by Eiko Engineering, under an argon gas atmosphere, at a sputtering speed of 20 Å/min, to a thickness of 0.5 μ.
The fiber surface was uniformly coated with titanium. This was confirmed using a scanning electron microscope and an X-ray photoelectron spectrometer. The titanium-coated alumina fiber thus produced was composited with aluminum (purity 99.9%) by the liquid metal impregnation method described in Example 1. As a result of measuring the tensile strength and tensile modulus of FRM with a fiber volume content of 50% in the range of -200℃ to 600℃, it was found that aluminum composites reinforced with titanium-coated alumina fibers showed high resistance from low temperatures to near the melting point of aluminum. It was found that the tensile strength and tensile modulus were hardly changed. For example, the tensile strength is −
103Kg/mm 2 at 200℃, 110Kg/mm 2 at 25℃, 630℃
101Kg/ mm2 , and tensile modulus even at 630℃
1.26×10 4 Kg/mm 2 and the value at 25℃ (1.40×10 4 Kg/mm 2
mm 2 ) was confirmed to be maintained at 90%. Example 3 The surface of the alumina fibers described in Example 1 was coated with a titanium-boron intermetallic compound, and an aluminum alloy [Al-12Si (Silumin composition)] was prepared by the liquid metal infiltration method described in Example 1. It became complex. In other words, alumina fibers are heated in a chemical vapor deposition furnace (900℃ constant temperature) in which a mixed reaction gas of titanium tetrachloride (20ml/min), boron tribromide (20ml/min), and hydrogen gas (60ml/min) is flowing. , Soaking length [900~
890℃] area is 12cm) and 0.5cm/
Wind the fiber at a speed of min and apply the average amount to the surface of the fiber.
A titanium-boron intermetallic coating was applied to a thickness of 0.6μ. The coating thickness and the presence of titanium-boron were confirmed using a scanning electron microscope and an X-ray photoelectron spectrometer, respectively. A composite material was obtained by applying the liquid metal impregnation method shown in Example 1 with molten silmin maintained at 620° C. between the coated alumina fiber bundles. When the resulting composite material was subjected to a tensile test, it was found that the tensile strength was 110 at a fiber volume content of 50%.
Kg/mm 2 and tensile modulus of 1400t/cm 2 . In addition, tensile fatigue test pieces were cut from the remaining samples to measure fatigue strength. The measuring device is a Shimadzu servo pulser EHF-E5 type, and the measurement conditions are 25℃,
The output waveform is a sine wave with a repetition frequency of 30Hz and load control. The amplitude of the repeated stress (S) was varied, the number of repetitions (N) until fatigue failure was measured, and an SN curve was obtained. The results revealed that the stress at the time of fatigue failure at N= 107 cycles was 69 to 73% of the static tensile strength, which was a very high value. This led to the discovery of features not found in other metal alloys.
Claims (1)
分を有し、X線的構造において、α−Al2O3の反
射を実質的に示さないアルミナ質繊維の表面に、
液相状態のアルミニウムへの最大溶解量が1重量
%以下である一種以上の金属単体もしくはこれら
二種の金属間化合物を被覆した繊維を強化材と
し、アルミニウムもしくはアルミニウム成分を40
重量%以上含む合金をマトリツクスとしたアルミ
ナ質繊維強化アルミニウム系金属基複合材料。1 On the surface of the alumina fiber, which has a component of 72% by weight or more of Al 2 O 3 and 28% by weight or less of SiO 2 , and does not substantially show α- Al 2 O 3 reflection in the X-ray structure,
The reinforcing material is fibers coated with one or more single metals or intermetallic compounds of two types that have a maximum dissolution amount of 1% by weight or less in aluminum in the liquid phase, and aluminum or aluminum components with 40%
An alumina fiber-reinforced aluminum-based metal matrix composite material whose matrix is an alloy containing more than % by weight.
Priority Applications (1)
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JP9392879A JPS5616638A (en) | 1979-07-23 | 1979-07-23 | Aluminous fiber-reinforced aluminum type metal-base composite material |
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JPS5616638A JPS5616638A (en) | 1981-02-17 |
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NZ211405A (en) * | 1984-03-16 | 1988-03-30 | Lanxide Corp | Producing ceramic structures by oxidising liquid phase parent metal with vapour phase oxidising environment; certain structures |
JPS60251247A (en) * | 1984-05-28 | 1985-12-11 | Agency Of Ind Science & Technol | Metal reinforced by inorganic fiber and its manufacture |
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JPS5228433A (en) * | 1975-07-19 | 1977-03-03 | Toho Beslon Co | Production method of carbon fiberrmetal composite material |
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1979
- 1979-07-23 JP JP9392879A patent/JPS5616638A/en active Granted
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