JP3461054B2 - 複合材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス，金属，
高分子等よりなる母材中に、分散材が分散してなる複合
材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】材質の異なる２種類以上の材料を組み合
わせることにより、単一材では十分でない特性、例え
ば、耐摩耗性、耐酸化性、耐腐食性、耐熱性、電気や熱
の伝導性、光学的特性、機械的強度等の特性を補うこと
ができる。また、各単一材料のみでは発現しない特性、
例えば、磁性、自己潤滑性、熱電気伝導性等の新しい機
能性を付与することができる。そのため、所望の特性を
実現させるため、種々の材料を組み合わせた複合材料が
検討されている。

【０００３】特に、母材（マトリックス）中に異種の材
料よりなる粒子またはウィスカ、ファイバー等を分散さ
せた複合材料は、分散材が機械的および機能的性質を発
現する役割を果たすことから、上記のように単一材（モ
ノリシック材）では得られない特性を併せ持った幅広い
材料の設計が可能である。

【０００４】分散材を分散させた従来の複合材料として
は、マトリックス中に分散材を均一に分散させたものが
一般的である。この複合材料は、分散材の添加により高
性能化および機能性を付与できるが、分散材がランダム
に分離されて分散しているため、分散材の特性を十分に
発揮できないという問題がある。

【０００５】そこで、これら問題を解決するために、分
散材を連続的な三次元網目状に分散させることが提案さ
れている（特開昭６０−２４３２４５号公報、特開昭６
２−４７５０号公報、特開平１−１１９６８８号公報、
特開平３−１２２０６６号公報、特開平３−１７４３５
８号公報、特開平４−３７６６７号公報）。この複合材
料は、分散材が連続的に分布しているため、分散材の特
性を十分に発揮させることができるとしている。

【０００６】すなわち、特開昭６０−２４３２４５号公
報には、セラミックスとセラミックスから成るウィスカ
との混合物を焼結して形成された多孔質セラミックス骨
格と、該セラミックス骨格の気孔中に含浸された金属と
からなる「セラミックス粒子強化金属複合材料」が開示
されている。この複合材料は、金属マトリックス中にセ
ラミックスとセラミックスウィスカの混合物からなる分
散材を連続的骨格構造状態で分散させたので、亀裂がな
く、高品質で、熱衝撃に強い複合材料とすることができ
るとしている。

【０００７】また、特開昭６２−４７５０号公報には、
結晶性重合体と平均長さ０．０５〜１ｍｍ、直径３〜２
０μｍの炭素短繊維とからなる「正温度係数組成物およ
び製造法」が開示されている。この組成物は、重合体マ
トリックス中に、炭素短繊維の三次元ミクロ網目状構造
の連鎖体を形成させてなるので、使用する炭素短繊維の
量を少なくすることができ、安価でＰＴＣ特性に優れた
重合体組成物とすることができるとしている。

【０００８】また、特開平１−１１９６８８号公報に
は、熱可塑性樹脂よりなる基体中に、鉛等の導電性金属
粒子を網目状に連続的に分散させた「樹脂成型電極及び
その製造方法」が開示されている。この電極は、耐蝕性
および機械的強度に優れ、安価であるとしている。

【０００９】また、特開平３−１２２０６６号公報に
は、骨材を低密度炭化珪素多孔質体により形成し、その
骨材の気孔中にアルミニウムを保持させた「アルミニウ
ム含浸型炭化珪素複合材料およびその製造方法」が開示
されている。この複合材料は、炭化珪素連続多孔質体の
連続気孔中にアルミニウムを含浸させてなるので、軽量
で、強度、耐熱性、耐摩耗性に優れた複合材とすること
ができるとしている。

【００１０】また、特開平３−１７４３５８号公報に
は、炭素９０〜３０モル％と炭化珪素１０〜７０モル％
とからなり、両者ともに連続相を形成する組織構造を有
する「炭素および炭化ケイ素の連続相からなる複合材
料」が開示されている。この複合材料は、両成分ともに
連続相を形成してなるので、酸化などにより炭素成分が
消失しても、大きな曲げ強度を有するので、形状を保つ
ことができるとしている。

【００１１】また、特開平４−３７６６７号公報には、
反応焼結マトリックス中に、３次元連続網目状構造体が
形成された「軽量高剛性セラミックス及びその用途」が
開示されている。この軽量高剛性セラミックスは、軽量
高剛性、すなわち比弾性率が高い複合セラミックス構造
体であるとしている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開昭６
０−２４３２４５号公報、特開昭６２−４７５０号公
報、特開平１−１１９６８８号公報、特開平３−１２２
０６６号公報、特開平３−１７４３５８号公報、特開平
４−３７６６７号公報に開示された複合材料は、何れ
も、強度が母材または分散材のうちの低強度材料の強度
または緻密化度によって決まるため、分散材を連続的に
三次元網目状に分散させただけでは高強度化が困難であ
る。また、母材と分散材との熱膨張差による内部応力が
連続的に発生するため、耐衝撃性等の機械的な特性や熱
的な特性が低下する。さらに、複合材料を調製する際
に、マトリックスまたは分散材の網目構造の多孔質体を
形成した後、他方の材料を浸透させるという特別な工程
を必要とする。そのため、製造に時間を要し、大量生産
には向かず、さらに緻密化が困難であるという問題を有
している。

【００１３】また、特開平４−３７６６７号公報に記載
された軽量高剛性セラミックスは、アトマイズ粉または
粉砕した金属粉にセラミックス粉を付着させた粉末を用
いて、分散材を網目状にする方法が開示されているが、
分散材を連続的に分散させているため、焼結性に劣り、
その結果、強度が低いという問題を有している。

【００１４】そこで、本発明者らは、上述の如き従来技
術の問題点を解決すべく鋭意研究し、各種の系統的実験
を重ねた結果、本発明を成すに至ったものである。

【００１５】（発明の目的）本発明の目的は、機械的特
性を低下させることなく、分散材および母材の特性を十
分に発揮させることができる複合材料を提供することに
ある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】（第１発明の構成）本発
明の複合材料は、母材物質からなる第１相と，該第１相
を不連続に取り囲むように形成された分散材よりなる第
２相とからなる複合材料セルを構成単位としてなる複合
材料であって、前記分散材が、複合材料中において三次
元網目状で不連続に分散してなることを特徴とする。

【００１７】（第２発明の構成）本発明の複合材料は、
母材物質からなる第１相と，該第１相を不連続に取り囲
むように形成された分散材よりなる第２相とからなる複
合材料セルを構成単位としてなり、前記分散材が複合材
料中において三次元網目状で不連続に分散してなる複合
材料であって、前記複合材料セルの第２相が，少なくと
も４か所の不連続部を有してなり、該不連続部は、前記
第１相と該第１相と隣り合う他の第１相とを結合する結
合強化相，前記第１相と前記第２相とを結合する結合強
化相，前記第２相と該第２相と隣り合う他の第２相とを
結合する結合強化相の何れかを少なくとも有してなり、
該結合強化相により第１相どうしをより強固にするとと
もに、第２相を複合材料中に強く固定・保持してなるこ
とを特徴とする。

【００１８】（第３発明の構成）本発明の複合材料は、
母材物質からなる第１相と，該第１相を不連続に取り囲
むように形成された分散材よりなる第２相とからなる複
合材料セルを構成単位としてなり、前記分散材が複合材
料中において三次元網目状で不連続に分散してなる複合
材料であって、前記複合材料中に分散した分散材が、任
意の一つの分散材Ｐ₀ を始点とし、次に該Ｐ₀ に最も近
接した分散材（第１番目に選択した不連続部）をＰ₁ と
し、次にまだ選択されていない分散材でありかつ前記Ｐ
₁ に最も近接した分散材（第２番目に選択した不連続
部）をＰ₂ とし、順次Ｐ_n （第ｎ番目に選択した不連続
部）まで選択し、前記始点となる分散材Ｐ₀ とそれぞれ
の分散材Ｐ_i （ｉ＝１，２，・・・，ｎ）との直線距離
をＬｓ_i としたときに、該距離Ｌｓ_i が所定の範囲内で
周期的に変動する分散構造を有してなることを特徴とす
る。

【００１９】

【作用】本発明の複合材料が、優れた効果を発揮するメ
カニズムについては、未だ必ずしも明らかでは無いが、
次のように考えられる。

【００２０】（第１発明の作用）本発明の複合材料は、
母材物質からなる第１相と、該第１相を不連続に取り囲
むように形成された分散材よりなる第２相とからなる複
合材料セルを構成単位としてなる。この複合材料セルを
構成単位とすることにより、前記第２相が前記第１相の
周りにおいて強固な骨格またはパスを形成し、これによ
ってマトリックスを強化し、高温時の軟化および転位や
元素拡散の移動などを抑制することができる。また、分
散材として熱や電気的な伝導を向上させるためのものを
選択する場合には、この第２相によるパスの形成によっ
て、熱や電気的な伝導も可能になると考えられる。

【００２１】また、本発明の複合材料は、前記複合材料
セルを構成単位とし、前記分散材が、母材中において三
次元網目状で不連続に分散してなるので、すなわち、複
合材料中において三次元網目状で不連続に分散してなる
ので、以下のように粒子やウィスカ、ファイバーなどの
分散材（分散相）それ自身による補強の効果、および分
散材の骨格構造による補強効果の２種類の相乗効果が得
られているものと推定される。

【００２２】室温では、分散材に比べて高強度の母材で
高応力を受け持つと同時に、複合材料中に三次元網目状
に分散した分散材によって転位の運動を阻止したり、ブ
リッジング等による亀裂進展を抑制することができる。
また、高温では、分散材の三次元網目状分散構造の骨格
部によって複合材料の軟化変形を抑制するとともに分散
材によって結晶同士の粒界すべりや転位運動を阻止し、
即時破断強度およびクリープ特性を向上させることがで
きる。特に、分散材が不連続で分散しているため、三次
元網目状で連続に分散しているものに比べて、分散材の
中または分散材と母材との界面に沿って亀裂が発生して
も、伝播しにくい。また、熱的、機械的な衝撃を緩和さ
せやすい。さらに、高緻密化により、複合材中に破壊源
となるポアが形成されにくいため、このポア形成による
強度低下が起こりにくい。このように、室温および高温
での効率的な強化が可能である。

【００２３】すなわち、強化を目的とした分散材を用い
た場合は、該分散材は母材中において、粒子、ウィスカ
等の分散材によって粒子強化されるとともに複合材料
中に不連続で三次元網目状に分散した骨格構造を形成し
ており、該構造の形成により強度低下の主因となるポア
等を形成させることはない。このような骨格構造が、高
応力を受け持つと同時に、分散材それ自身によって隣接
した網目間における転位の移動や亀裂進展を阻止するこ
とができる。これによって、強度や靱性を向上させるこ
とができる。また、高耐熱性の分散材を用いた場合に
は、耐熱性の高い骨格構造を形成でき、この骨格部が母
材の軟化変形を抑制することができる。さらに、結晶粒
界の軟化による粒界すべりや転位の移動を、分散材自身
によっても阻止することができるので、高温での即時破
断強度や耐クリープ性を向上させることができる。特
に、分散材が不連続に分散しているため、分散材中また
は分散材と母材との界面に沿って亀裂が進展しても、連
続相のように亀裂が全体に大幅に進展するようなパスが
なく、伝播しにくい。また、分散材として機能性を付与
する分散材を用いた場合は、連続網目状に比べて高緻密
化が図れ、破壊源となるポアが形成されにくく、強度低
下させることなく機能性を付与させることができる。

【００２４】また、分散材を網目状に配列させているの
で、均一分散系に比べて、分散材の特性を強く発現させ
ることができる。さらに、連続網目状構造のものに比べ
て添加量を少なくすることができる。

【００２５】以上により、本発明の複合材料は、母材の
機械的な特性を低下させることなく、分散材の特性を十
分に発揮させた複合材料とすることができるものと考え
られる。

【００２６】（第２発明の作用）本発明の複合材料は、
前記第１発明の作用を奏することに加え、さらに、以下
のような作用を奏する。前記第１発明の作用との相違点
を中心に説明する。

【００２７】本発明の複合材料は、前記複合材料セルの
第２相が、少なくとも４か所の不連続部を有してなる。
これにより、第１相どうしの結合を強固にするととも
に、第１相と第２相の結合または固定・保持をより強固
なもとにすることが可能となる。

【００２８】また、本発明の複合材料 は、前記不連続
部が、前記第１相と該第１相と隣り合う他の第１相とを
結合する結合強化相，前記第１相と前記第２相とを結合
する結合強化相，前記第２相と該第２相と隣り合う他の
第２相とを結合する結合強化相の何れかの結合強化相を
少なくとも有してなる。これにより、隣り合う第１相ど
うしの間の引張やねじり、剪断力などによる界面剥離を
低減することができるとともに、第１相と第２相、及び
／又は第２相どうしの結合強化によって、第１相どうし
をより強固にすることができる。また、第１相と第２
相、及び／又は第２相どうしが強化相によって強く結合
されているので、それらが界面で剥離することを抑制す
ることができるので、前記第２相を複合材料中に強く固
定・保持することができる。

【００２９】以上により、本発明の複合材料は、第１発
明の複合材料に比べて、母材の機械的な特性を低下させ
ることなく、分散材の特性をより十分に発揮させた複合
材料とすることができるものと考えられる。また、例え
ば、耐熱性，耐摩耗性，耐衝撃性，耐疲労性などの優れ
た機械的特性と機能的特性とを併せ持つ優れた複合材料
を実現することが可能になるものと考えられる。

【００３０】（第３発明の作用）本発明の複合材料は、
前記第１発明の作用を奏することに加え、さらに、以下
のような作用を奏する。前記第１発明の作用との相違点
を中心に説明する。

【００３１】本発明の複合材料は、前記母材中に分散し
た分散材が、任意の一つの分散材Ｐ₀を始点とし、次に
該Ｐ₀に最も近接した分散材をＰ₁とし、次にまだ選択さ
れていない分散材でありかつ前記Ｐ₁に最も近接した分
散材をＰ₂とし、順次Ｐ_nまで選択し、前記始点となる分
散材Ｐ₀とそれぞれの分散材Ｐ_i（ｉ＝１，２，・・・，
ｎ）との直線距離をＬｓ_iとしたときに、該距離Ｌｓ_iが
所定の範囲内で周期的に変動する分散構造を有してな
る。前記母材中に、すなわち複合材料中に分散した分散
材がこのような分散構造を有してなるので、第２相を構
成する分散材がマトリックス中において、所定の大きさ
の互いに接点を共有する複数のクローズドループを形成
した構成となっているので、これが一種の骨格構造とし
ての役割を果たすことにより、マトリックスを強化する
とともに、高温時の軟化および転位や元素拡散の移動な
どを抑制することができる。また、分散材として熱や電
気的な伝導を向上させるためのものを選択した場合に
は、このクローズドループによるパスの形成によって、
熱や電気的な伝導も可能になると考えられる。

【００３２】以上により、本発明の複合材料は、第１発
明の複合材料にくらべて、第１相およびマトリックスの
強度や耐衝撃性などの機械的特性を低下させることな
く、より高機能な特性の発現が可能になるものと考えら
れる。

【００３３】

【発明の効果】

（第１発明の効果）本発明の複合材料は、母材の機械的
な特性を低下させることなく、分散材の特性を十分に発
揮させることができる。

【００３４】（第２発明の効果）本発明の複合材料は、
母材の機械的な特性を低下させることなく、分散材の特
性をより十分に発揮させることができる。

【００３５】（第３発明の効果）本発明の複合材料は、
母材の機械的な特性を低下させることなく、分散材およ
び母材の特性をより十分に発揮させることができる。

【００３６】

【実施例】先ず、本発明の第１発明の複合材料〜第３発
明の複合材料について、さらに具体的にした発明や限定
した発明などの発明（その他の発明）について、以下に
説明する。

【００３７】〔その他の発明の説明〕

【００３８】（母材）母材（マトリックス）は、複合材
料の基材となるものであり、第１相を形成するものであ
る。母材としては、セラミックス、金属、樹脂、金属間
化合物などの材料を適用でき、結晶質のものでも非結晶
質のものでもよい。

【００３９】（第１相）第１相は、前記母材物質からな
る。該第１相は、複合材料の構成単位としての複合材料
セルを構成する。該第１相の形状は、球形様であって
も、柱状様であっても、その組合せであっても、それら
の変形形状であってもよい。なお、横断面（第１相が柱
状様の場合は長手方向に対して垂直方向の断面）におけ
る形状では、多角形、円形、楕円形、または不定形の何
れでもよい。このときの第１相の大きさは、前記横断面
において、平均径で１μｍ〜１０ｍｍであることが好ま
しい。第１相の大きさが１μｍ未満の場合、母材内に形
成される網目の密度が大きくなるため、焼結性が低下
し、その結果十分な強度が得られなくなる虞がある。ま
た、１０ｍｍを超えると、分散材による機械的特性及び
／又は機能的特性の向上効果が発揮しにくくなる。な
お、第１相の大きさが、１μｍ〜５００μｍの範囲内の
場合には、複合材料セル外周部での剥離等による強度低
下を起こしにくく、第２相の特性を十分に発現すること
ができるので、より好ましい。なお、該第１相の形状
は、球形様またはその変形形状、柱状様またはその変形
形状など、どのような形状であってもよい。該第１相の
形状が球形様またはその変形形状である場合には、機械
的・機能的特性を等方的に発現できる構造とすることが
でき、好適である。また、該第１相の形状が、柱状様ま
たはその変形形状である場合には、方向性のある機能
的、機械的特性の発現が可能な構造として、また長手方
向に柱状を揃えることにより、薄板で高機能化が可能な
構造として、好適である。

【００４０】（分散材）分散材は、マトリックスの機械
的特性向上や機能性向上を目的としてマトリックス中に
分散させるものであり、該２相を形成するものである。
該分散材は、耐熱性や耐蝕性、耐薬品性、高硬度、高弾
性、快削性、耐酸化性などの機械的特性や、熱伝導性、
断熱性、電気伝導性、磁性、圧電性、光学的特性などの
機能性を有するものなどを用いることができる。分散材
の材質は、セラミックス、金属、樹脂、金属間化合物な
どの材料を適用でき、結晶質のものでも非結晶質のもの
でもよい。形状は、粒子、ウィスカ、ファイバー等でど
のようなものでもよい。

【００４１】分散材の大きさは、粒子の場合、径の平均
値が0.０１μｍ〜１ｍｍで、かつ前記第１相の大きさ
（前記横断面における大きさ）の１／４以下であること
が好ましい。該径が0.０１μｍ未満の場合、複合材料セ
ル外周部の第２相の不連続部の割合が少なくなり、第１
相の機械的特性が低下しやすくなる虞がある。また、該
径が１ｍｍを超えると、複合材料セル外周部の第２相の
分散密度が粗となるため、第２相の特性を発現しにくく
なる虞がある。また、前記径が前記第１相の大きさ（前
記横断面における大きさ）の１／４より大きい場合、第
２相による骨格構造やパスを形成しにくくなり、第２相
の特性を十分に発現できなくなる虞がある。なお、この
場合、分散材の大きさが、0.０５μｍ〜１００μｍの範
囲内の場合には、分散材の不連続部の間隔を適度に調整
し易く、第１相の強度や耐衝撃性などの機械的特性を低
下させずに第２相の特性を十分に発現できるので、より
好ましい。

【００４２】また、分散材の大きさは、ウィスカおよび
ファイバーの場合、短径の平均値が３００μｍ以下が好
ましい。この場合、分散材の大きさを２００μｍ以下に
整粒することにより、不連続な網目状構造を形成させ易
くなる。該範囲を超えると、分散材の分散密度が低くな
るため、網目状の効果が発揮されにくくなる虞がある。

【００４３】（第２相）第２相は、前記第１相を不連続
に取り囲むように形成された分散材からなる。この第２
相を構成する分散材は、一つ一つが独立の分散材（粒子
等）からなっていても、一つが複数の分散材の集合体で
あってそれぞれの集合体が不連続に形成されていても、
これらの組合せであってもよい。一つの分散材又は／及
び複数の分散材の集合体が、それぞれ不連続に、前記第
１相の周囲を取り囲むように形成されてなる。なお、こ
のとき、上記分散材は、一種のものであっても、付与す
る機能性及び／又は強化特性などが異なる複数種のもの
であってもよい。

【００４４】（複合材料）本発明の複合材料は、前記第
１相と該第１相を不連続に取り囲むように形成された前
記第２相とからなる複合材料セルを構成単位としてな
り、前記分散材が、母材中において三次元網目状で不連
続に分散してなる。すなわち、複合材料中において三次
元網目状で不連続に分散してなる。ここで、前記複合材
料セルの構造の具体的一例を概念的に示した説明図を、
図２ないし図５に示す。図２および図３は、複合材料セ
ルの具体例の前記横断面の概略説明図を示し、図２は、
第１相３が多結晶質の材料の例で、複合材料セル２が複
数個の結晶粒３１を一つのブロックとして第１相３を構
成し、分散材４１がその周りを不連続にとり囲んで第２
相４を形成した構造である。図３は、第１相３が樹脂の
ような非晶質または単結晶質の物質からなる材料の例
で、所定サイズの円盤状またはその変形形状の塊を一ブ
ロックとし、分散材４１がその周りを不連続に囲んで第
２相４を形成したような構造である。図４および図５
は、複合材料セルの具体例を概念的に示した説明図であ
り、図４は、球状または楕円形状の第１相３ブロック全
周を、分散材４１が不連続にとり囲んで第２相４を形成
したような構造である。図５は、柱状または長楕円形の
第１相３の全周に分散材４１が不連続に分散するように
第２相４を形成したような構造である。

【００４５】また、「三次元網目状で不連続に分散し
た」状態とは、図１および図６にその一例を示すよう
に、分散材が単体及び／又は該単体の集合体（一部繋が
った形態や接触した形態を含む）の状態で、母材中、す
なわち複合材料中に三次元網目状に配列している状態を
いう。また、マトリックスが結晶粒からなる場合、１つ
の網目は、数個以上のマトリックス結晶粒を一単位とし
て、その周囲に形成されたものをさす。好ましくは、図
７に示すように、連続的につながった粒子が少なく、か
つ分散材からなる不連続相が微小な間隔で分散するよう
な形態である。さらに好ましくは、数μｍ程度の粒界相
を介して各分散粒がつながっているような形態である。
なお、前記分散材の分散形態は、上記のように、基本的
に不連続な状態で網目構造を形成しているものであれば
よく、網目１個の形状は、多角形、円形、楕円形、また
は不定形でもよい。また、分散材は、本発明の作用・効
果を損なわない範囲で、粒子が一部、連続的に分散した
り、または、連続体を形成してもよい。

【００４６】分散材のマトリックス中での存在割合は、
０．０１〜７０体積％の範囲が好ましい。該割合が０．
０１体積％未満の場合、分散材の間隔が広くなり、骨格
構造の効果および機能性の発現が困難になる虞がある。
また、７０体積％を超えると、網目状の分散相、分散材
の密度が高くなるため、焼結性が低下し、強度が低下す
る虞ある。なお、該割合が、１％〜３０％の範囲である
場合、本発明の効果をよりよく発揮できるのでより好ま
しい。

【００４７】マトリックスと分散材との組み合わせとし
ては、セラミック材料、金属材料、高分子材料等の種々
の材料を組み合わせることができる。

【００４８】例えば、マトリックス−分散材の組み合わ
せとして、マトリックスをセラミックス材料とする場
合、窒化珪素−炭化珪素、窒化珪素−シリカ、窒化珪素
−窒化ホウ素、窒化珪素−窒化チタン、窒化珪素−炭化
チタン、窒化珪素−フェライト磁石、炭化珪素−アルミ
ナ、炭化珪素−窒化アルミ、炭化珪素−窒化チタン、炭
化チタン−炭化珪素、アルミナ−炭化チタン、アルミナ
−ジルコニア、アルミナ−ジルコン、アルミナ−窒化珪
素、アルミナ−ダイヤモンド、アルミナ−窒化アルミ、
ムライト−アルミナ、ムライト−ジルコニア、サイアロ
ン−炭化珪素、ジルコニア−アルミナ、ガラス−炭化珪
素、ガラス−アルミナ、チタン酸ジルコン酸鉛−炭化珪
素、チタン酸ジルコン酸鉛−チタン酸バリウム、チタン
酸鉛−チタン酸ストロンチウム、コーディエライト−ム
ライト、ジルコニア−ニッケル・クロム合金等が挙げら
れる。なお、分散材がセラミックスからなる場合、マト
リックスと分散材の上記組合せは入れ代わってもよい。

【００４９】セラミックスをマトリックスとした場合、
例えば、炭化珪素や炭化チタン、酸化チタン等のように
電気的抵抗値が低い材料やニッケル・クロム合金等を分
散材としてセラミックスに添加した場合は、これらの分
散材の間隔を焼結性を阻害しない程度に近づけて分散さ
せることにより、マトリックスとしてのセラミックスに
電気伝導性や熱伝導性を付与することが可能となる。こ
れにより、セラミックスの放電加工が可能となる。特
に、炭化珪素、炭化物、硼化物、窒化物や金属系の熱伝
導性の高い材料では、分散材の間隔を調整することによ
り、電気絶縁性をもたせながら高熱伝導性を付与するこ
とが可能となり、基板材料などの適用性が高い。また、
快削性の材料を添加剤にすることにより、強度を低下さ
せることなく、加工性を上げることも可能となる。

【００５０】マトリックスを金属材料とする場合、ニッ
ケル−トリア、ニッケル・クロム合金−トリア、ニッケ
ル・クロム合金−イットリア、鉄・クロム合金−イット
リア、鉄・クロム合金−ジルコニア、鉄・クロム合金−
アルミナ、アルミニウム−タングステン、アルミニウム
−ステンレス、アルミニウム−カーボン、アルミニウム
−ボロン、アルミニウム−アルミナ、アルミニウム−炭
化珪素、アルミニウム−イットリア、マグネシウム（ま
たはマグネシウム合金）−アルミナ、アルミニウム合金
−アルミナ、ニッケル（またはニッケル合金）−アルミ
ナ、モリブデン（またはモリブデン合金）−アルミナ、
マグネシウム−炭化珪素、銅−アルミナ、銅−タングス
テン、銅−イットリア、ニッケル・クロム合金−イット
リア、ニッケル・クロム合金−ジルコニア、ニッケル・
クロム合金−カルシア、ニッケル・クロム合金−シリ
カ、銀−タングステン等が挙げられる。なお、分散材が
金属材料からなる場合、マトリックスと分散材の上記組
合せは入れ代わってもよい。

【００５１】金属材料をマトリックスとした場合、例え
ば、低熱伝導性のジルコニア等のセラミックスや金属分
散材の間隔を調整して添加することにより、機械的特性
を低下させることなく、断熱性のある金属材料が得られ
る。

【００５２】マトリックスを高分子材料とする場合、ポ
リ塩化ビニル−鉛（または鉛合金）、ポリ塩化ビニル−
二酸化マンガン、ポリプロピレン−タルク、ポリプロピ
レン−炭酸カルシウム、ポリプロピレン−炭酸マグネシ
ウム、エポキシ樹脂−炭化珪素、エポキシ樹脂−シリ
カ、エポキシ樹脂−ガラス、シリコン樹脂−炭化珪素、
ポリエチレン−カーボン、熱硬化性樹脂−シリカ、熱硬
化性樹脂−シリカ、ゴム−カーボンブラック、樹脂−黒
鉛、樹脂−ニッケル、カーボン−炭化珪素等が挙げられ
る。

【００５３】本発明の複合材料は、母材の機械的な特性
を低下させることなく、特性の強化や機能の向上など分
散材の特性を十分に発揮させることができる。

【００５４】また、電気伝導性、熱伝導性、磁性等の機
能性に優れた分散材を非常に短い間隔で網目状に分散さ
せることができることから、分散材同士の間隔を最適に
することにより、該分散材の連続相を形成させた場合に
近い特性と、さらに高い機械的特性の両方を発現するこ
とが可能となる。

【００５５】また、分散材が高剛性である場合には、分
散材を不連続で分散させることにより分散材による強
度、靱性、耐衝撃性等の特性低下を招くことなく、複合
化による母材の高剛性化を達成することができる。

【００５６】また、ウィスカ状の分散材を配向方向と垂
直な方向に三次元網目状構造を形成するとピンニング効
果による配向方向の強度向上だけではなく、三次元的に
も強化することできる。

【００５７】本発明のより好適な複合材料は、前記第１
相中に、特性の強化や機能の向上のための添加剤を均一
に分散させてなることを特徴とする。これにより、第１
相内部の結晶粒のすべりや転位の移動抑制、高硬度化、
高弾性化などが可能となり、耐熱性や耐酸化性、耐摩耗
性、強度、高剛性等の機械的特性や、熱伝導性等の機
能的特性が向上する。この添加剤としては、耐熱性や耐
蝕性、耐薬品性、高剛性、高硬度、快削性、耐衝撃性な
どの機械的特性や、光学的特性、低膨張性、低誘電導
率、高抵抗性、高膨張性、熱伝導性、断熱性、電気伝導
性、磁性、圧電性などの機能性を有するものなどを用い
ることができる。このとき、分散材の材質は、セラミッ
クス、金属、樹脂、金属間化合物などの材料を適用で
き、結晶質のものでも非結晶質のものでもよい。形状
は、粒子、ウィスカ、ファイバー等でどのようなもので
もよい。なお、この添加材として機械的特性を有するも
のを用い、第２相を形成する分散材として機能性を有す
るものを用いた場合には、耐熱性や耐蝕性、耐薬品性、
高硬度、快削性などの機械的特性を併せもった機能性複
合材料とすることができる。

【００５８】なお、母材が非晶質からなる場合は、第１
相内部に、上記添加材（強化粒子）を均一に分散させて
なることが好ましい。

【００５９】また、母材が結晶質からなる場合は、第１
相に含まれる結晶粒の粒内または／および粒界に、上記
強化粒子を均一に分散させてなることが好ましい。この
場合、機械的特性を向上させるときには、分散材が粒内
および粒界のいずれであってもよい。

【００６０】本発明の好適な複合材料は、前記複合材料
セルの第２相が、少なくとも４か所の不連続部を有して
なり、該不連続部が結合強化相を有してなる。この結合
強化相は、前記第１相と該相と隣り合う他の第１相とを
結合する結合強化相、前記第１相と前記第２相とを結合
する結合強化相、前記第２相と該相と隣り合う他の第２
相とを結合する結合強化相の少なくとも何れかからな
る。これより、第１相どうしをより強固にするとともに
第２相を複合材料中に固定・保持することができる。

【００６１】（結合強化相）ここで、この結合強化相の
具体的な一例を概念的に説明した説明図を、図８に示
す。図８は、分散材４１が三次元網目状の骨格を形成す
るように分布する第２相４において、該第２相４が、部
分的に不連続な部位を形成して、隣り合う第１相３どう
しを不連続部に形成された結合強化相５を介して、強固
に結合したような構造である。

【００６２】結合強化相の好適な構造は、結合強化相の
厚みが薄く、かつ結合強化相の間隔が小さく数密度が高
いほうが、強化結合相の効果をよりよく発揮し好まし
い。また、結合強化相と第２相との界面形状は、多少入
り組んでいたほうが、前記相間の接触面積が増え、保持
力が増大し、アンカー効果が期待できるので好ましい。
これより、隣接した第１相どうしを強固に結合できると
ともに、第２相を第１相内に強固に固定・保持できると
うい効果を奏することができる。

【００６３】また、結合強化相の他の好適な構造は、第
１相および第２相がともに三次元網目構造を形成し、第
２相の不連続相を介して第１相と第２相が強固に結合し
ている構造である。これより、第１相の特性を十分に発
現できるとともに、強度や耐衝撃性などの機械的特性を
低下させることなく、第２相の特性を発現できるという
効果を奏することができる。

【００６４】結合強化相は、分散材を三次元網目状に分
散した場合に起こりやすい強度低下を緩和または防止す
る機能を果たす相である。粒子分散強化には、巨視的
に、強化材をマトリックス内にできるだけ均一分散させ
た方が高強度化し易い。一方、電気および熱伝導性や磁
性などの特性を有する分散材を添加して機能的特性を効
率的に発現させるには、分散材により三次元網目状のよ
うなパスを形成するようにできるだけ高密度に分散させ
た方が効率的である。しかしながら、複合材料中に分散
材のパスを形成させると、そのパスの部分で局所的に焼
結性が悪くなるために低強度の相を形成する虞があり、
そのパスに沿って亀裂が進展し易くなるなど、即時破壊
強度や疲労強度などの機械的特性を低下させてしまう虞
がある。そこで、これらを解決する本発明の好適な複合
材料は、母材物質としての複数のマトリックス結晶粒か
らなる第１相と、該複数のマトリックス結晶粒の周囲を
取り込むように一つのセルとして三次元網目状に分散す
る結合強化相を形成させ，この中に分散材を分散させた
第２相とからなる複合材料セルを構成単位としてなる複
合材料であって、前記第２相の分散材が複合材料中にお
いて三次元網目状で不連続に分散してしてなり、かつ、
前記第２相の結合強化相が複合材料中において三次元網
目状で連続または／および不連続に分散してなることを
特徴とする。これにより、前記本発明の効果を十分に奏
することができるとともに、高密度な三次元網目状分散
相の強度低下を十分抑制することができる。この結合強
化相としては、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｚｒ
Ｏ₂ 、ＭｇＯ₂、ＡｌＮ、Ｌａ₂ Ｏ₃ 、ＣｅＯ₂ 、Ｙｂ
₂ Ｏ₃ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、ＴｉＯ₂ 、ＢａＯ、ＴｉＮ、Ｓｃ
₂ Ｏ₃ 、ＢｅＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＢｅＳｉＯ₄ 、ＹＮ、Ｙ
₂ Ｏ₃ 、ＺｒＳｉ₂ 、ＣｒＢ₂ などの易焼結性の酸化
物、窒化物、硼化物系の無機材料および／または微小粒
子の無機材料が好適である。また、前記特性を実現する
金属や高分子材料でもよい。これら結合強化相は、マト
リックスと濡れ性がよく、さらに、マトリックスに比べ
て焼結性のよい材料が少なくとも一種類以上含まれてい
ればよく、マトリックス、およびマトリックスより難焼
結性の材料など２種類以上の材料により構成されていて
もよい。また、非晶質、結晶質、非晶質と結晶質の混合
相の何れでもよい。なお、高温用材料として用いる場合
には、結晶質のみの材料か、結晶質の割合が多い材料が
好ましい。この結合強化相の構造は、例えば、結合強化
相を構成する物質が柱状晶の場合には、アスペクト比が
大きく、細長い針状または板状で、かつ粗大粒が少ない
均一な組織であることが好ましい。また、結合強化相を
構成する物質が等状晶の場合には、粒径が小さく、かつ
粗大粒が少ない均一な組織であることが好ましい。ま
た、一定サイズ以上の気孔や異物が無いものが好まし
い。また、焼結性を阻害しない範囲で、強化相をウィス
カやファイバなどでさらに強化してもよい。また、結合
強化相を構成する物質の特性は、熱膨張係数および弾性
率がマトリックスと同等または近似した物質か、また
は、熱膨張係数および弾性率がマトリックスと分散材の
間でありマトリックスに近い物質であることが好まし
い。これにより、マトリックスと分散材間に生じる内部
応力（熱応力）を低減できるため、分散材のパス形成に
伴う強度低下を十分に抑制することができる。また、マ
トリックスと濡れ性がよいので、すなわち馴染みやすい
ので好ましい。

【００６５】（周期的に変動する分散構造）本発明の他
の好適な複合材料について、図９及び図１０を用いて説
明する。すなわち、図９に示すように、前記母材中に分
散した分散材のうち、先ず、任意の一つの分散材を選択
し、これをＰ₀ とする。次に、このＰ₀ を始点とし、こ
のＰ₀ に最も近接した分散材（Ｐ₀ に連続していないも
の）を第１番目に選択し、Ｐ₁ とする。次いで、Ｐ₁ に
最も近接した分散材であって、まだ選択されていない分
散材（Ｐ₀ およびＰ₁ に連続していないもの）を第２番
目に選択し、Ｐ₂ とする。次に、同様にして順次Ｐ
_n （第ｎ番目に選択した不連続部）まで選択する。次い
で、前記始点となる分散材Ｐ₀ とそれぞれの分散材Ｐ_i
（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）との直線距離をＬｓ_i とす
る。次に、図１０に示すように、横軸に粒子数をとり、
縦軸に距離Ｌｓ_i をとる。このとき、本発明の好適な複
合材料は、図１０に示すように、所定の範囲内で周期的
に変動するような分散構造を有する複合材料である。

【００６６】ここで、この周期的に変動する分散構造と
は、分散材が母材全体にわたって多数のクローズドルー
プを形成するものであり、その周期はクローズドループ
の形状によっても異なるが、円形またはそれに近い場合
にはその直径、楕円または柱状様の場合には長軸径以下
の範囲内で変動する分散構造である。また、本発明の複
合材料の周期的に変動する分散構造の他の好適な例を、
図１１および図１２に示す。また、好適な分散構造は、
図１３に示すように、分散材の間隔ｗが、（１／２）ｄ
以下になるような形態で分散材が分散している構造であ
る。また、他の好適な分散構造は、図１４に示すよう
に、分散材が複数層のクローズドループを形成する構造
である。また、周期は一定であっても、変動してもよい
が、１周期あたりの粒子数は４個以上必要であり、８個
以上であることが好ましい。また、距離Ｌｓ_i は、0.０
１μｍ≦Ｌｓ_i ≦20mmの範囲内が好ましく、より好まし
くは、0.１μｍ≦Ｌｓ_i≦１mmの範囲である。

【００６７】（複合材料の製造方法）本発明の複合材料
を製造する方法の一例を、簡単に説明する。

【００６８】先ず、原料粉末調整工程において、母材の
主材としての所定形状の造粒粉の表面に、所定形状の分
散材を不連続に存在させた状態となるように原料粉末を
調整する。すなわち、マトリックスの粉末を所定の大き
さ以上になるように造粒した造粒粉に、分散材を存在さ
せた状態となるように原料粉末を調整する。すなわち、
該造粒粉表面に、分散材を不連続に点在させた状態でま
ぶすか，または造粒粉の表面にＣＶＤ法、ＰＶＤ法およ
びケミカルプロセス等により部分的な分散材の被膜を形
成する。

【００６９】次に、成形工程において、前記原料粉末調
整工程において得られた原料粉末を所定形状に成形して
成形体とする。これにより、焼結前の成形体は、母材の
主材料となる造粒粉の間隙や隣合う造粒粉の少なくとも
一方の表面などに、分散材が不連続に存在しており、成
形体全体において、分散材を不連続に存在させることが
できる。なお、必要に応じてＣＩＰ（冷間静水圧プレ
ス）を行ってもよい。

【００７０】次いで、複合材料形成工程において、前記
成形工程で得られた成形体を加熱すると、隣り合う造粒
粉どうしが分散材の存在しない造粒粉表面を介して焼結
または溶融することにより、焼結体全体が緻密化する。
なお、焼結後、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理を行う
ことにより、さらに高い緻密性の焼結体を得ることがで
きる。

【００７１】これにより、母材物質からなる第１相と、
該第１相を不連続に取り囲むように形成された分散材よ
りなる第２相とからなる複合材料セルを構成単位として
なる複合材料であって、前記分散材が、母材中、すなわ
ち複合材料中において三次元網目状で不連続に分散した
複合材料が形成される。

【００７２】このとき、強化を目的とした分散材を用い
た場合は、第２相全体によって、母材中で、粒子、ウィ
スカ等の分散材によって粒子強化された不連続三次元網
目構造の骨格構造を形成し、本方法によりこの形成過程
において強度低下の主因となるポア等を生成させること
がない。この骨格構造は、高応力を受け持つと同時に、
分散材それ自身によって第２相に隣接した第１相相互間
における転位の移動や亀裂進展を阻止することができ
る。これによって、強度や靱性を向上させることができ
る。さらに、３次元網目構造の形式による機械的、熱的
な衝撃性の低下を抑制することができる。また、高耐熱
性の分散材を用いた場合には、第２相全体によって、耐
熱性の高い骨格構造が形成でき、この骨格部により複合
材の軟化変形を抑制することができる。さらに、結晶粒
界の軟化による粒界すべりや転位の移動を、第２相を構
成する分散材自身によっても阻止することができるの
で、高温での即時破断強度や耐クリープ性を向上させる
ことができる。特に、第２相を構成する分散材が不連続
に分散するため、分散材中または分散材と母材との界面
に沿って亀裂が進展しても、連続相のような亀裂が進展
し易いパスがなく、伝播しにくい。また、分散材として
機能性を付与する分散材を用いた場合は、連続網目状に
比べて高緻密化することができ、破壊源となるポアが形
成されにくく、強度低下させることなく機能性を付与さ
せることができる。

【００７３】以上により、上記複合材料の製造方法によ
り、母材の機械的な特性を低下させることなく、第２相
を構成する分散材の特性を十分に発揮させることができ
る複合材料を、容易に製造することができるものと考え
られる。

【００７４】このとき、原料として使用するマトリック
ス粉末を造粒した造粒粉の粒径（ｄｍ）は５．０ｍｍ以
下、粒子またはウィスカ等の分散材の平均１次粒子粒径
または平均直径（ｄｐ）は５００μｍ以下とし、ｄｐ／
ｄｍが０．５０〜１×１０^-6の範囲となるのがよい。こ
の範囲であれば、分散材の特性を十分に発揮させるため
の分散材による三次元網目状構造を容易に形成すること
ができる。なお、ｄｐ／ｄｍを０．１〜１×１０^-5とす
ることにより、不連続の網目状構造を形成させ易くなる
ので好ましい。また、この場合、分散材の大きさを１８
０μｍ以下に整粒することにより、不連続な網目状構造
を形成させ易くなる。また、母材造粒粉を構成するマト
リックス粉末は、粒径が２μｍ〜２ｍｍ程度の範囲に造
粒粉を造粒することが好ましい。また、より好適には、
１０μｍ〜２ｍｍの範囲である。

【００７５】さらにマトリックスを材料別に分けて本発
明の複合材料の製造方法を説明すると以下のようにな
る。

【００７６】（セラミックス複合材料の製造方法）マト
リックスをセラミックス材料とする場合、マトリックス
材料と焼結助剤とを湿式または乾式で混合し、一定粒径
に解砕あるいはスプレードライ法により調整した造粒粉
の表面に分散材を不連続に点在させた状態でまぶす。こ
の粉末を金型成形およびＣＩＰした後、常圧焼結、ホッ
トプレスまたは熱間静水圧焼結（ＨＩＰ）等により焼成
することにより本発明の複合材料を製造することができ
る。

【００７７】また、マトリックスを金属材料とする場
合、一定粒径に粉砕またはアトマイズしたマトリックス
材料の粉末の表面に分散材を不連続に点在させた状態で
まぶすか、または部分的な膜を形成させる。その後、こ
の粉末を成形して焼結することにより本発明の複合材料
を製造することができる。

【００７８】また、マトリックスを高分子材料とする場
合、マトリックス材料と充填材や表面処理材等の添加剤
とを混合して球状または柱状のペレットにし、このペレ
ットに分散材をまぶす。これを金型に充填して加熱、プ
レスすることにより本発明の複合材料を製造することが
できる。

【００７９】以上のように、本発明の複合材料を製造す
る場合、分散材の添加を一工程で行えるため生産性も良
好である。

【００８０】本発明の複合材料は、分散材の機能が十分
に発揮されるため、構造用材料、機能性材料等に利用す
ることができる。

【００８１】例えば、室温強度の高い窒化珪素に高温で
安定な炭化珪素を添加し、窒化珪素内に炭化珪素の三次
元網目状構造を形成すると、室温強度と高温強度および
耐クリープ性、耐酸化性を同時に改良することができ
る。さらに、電気伝導性の付与や高弾性化等の機械的・
電気的特性を従来の複合材料のそれよりも大きく改善す
ることができる。

【００８２】また、ＩＣ封止用樹脂では、該樹脂中に高
熱伝導性の炭化珪素または窒化アルミニウム、窒化硼素
の不連続な三次元網目状構造を形成すると、電気絶縁性
を低下させることなく熱伝導性をより向上させることが
できる。

【００８３】また、金属では、ステンレス鋼中に高剛性
・高硬度のジルコニアやアルミナ、イットリアを不連続
な三次元網目状に分散させることにより、強度低下を起
こすことなく、耐摩擦・摩耗性や剛性、耐酸化性を向上
させることができる。さらに、ジルコニア、アルミナ、
シリカのような低熱伝導性の材料を添加することによ
り、高断熱性の複合材料を得ることができる。

【００８４】本発明の複合材料の好適な製造方法は、母
材の主材としての主原料粉末と，母材の強化または機能
付加をする添加剤とを混合して得た所定形状の造粒粉の
表面に、所定形状の分散材を不連続に存在させた状態と
なるように原料粉末を調整し、次いで、該原料粉末を所
定形状に成形し、加熱して、複合材料を形成する方法で
ある。このようにすることにより、分散材が網目状で不
連続に分散するとともに、第１相内部にも添加剤が均一
に分散した複合材料が得られる。

【００８５】本発明の複合材料の他の好適な製造方法
は、母材の主材としての所定形状の造粒粉の表面に、所
定形状の分散材と，母材と同一材料でかつ分散材の大き
さと同一または該分散材の大きさより小さい大きさの焼
結向上剤とを不連続に存在させた状態となるように原料
粉末を調整し、次いで、該原料粉末を所定形状に成形
し、加熱して、複合材料を形成する方法である。このよ
うにすることにより、分散材を三次元網目状で不連続に
分散させ易くなり、また、焼結性も向上させることがで
きる。

【００８６】焼結向上剤としては、母材と同一材料のも
の、または分散材の焼結材として一般に用いられている
ものを採用することができる。窒化珪素−炭化珪素の系
では、焼結向上剤として、窒化珪素、または、該窒化珪
素の焼結材として用いられているイットリアや、アルミ
ナ、イットリビュウム、スピネル、酸化マグネシウム、
炭化珪素の焼結材として用いられているカーボンや硼
素、アルミナなどを用いることができる。また焼結向上
剤としては、この他に、酸化ランタン、ネオジュウム、
ジルコニア、ニッケル、銅、等がある。また、焼結向上
剤としては、分散材や母材より細かい粒子を用いること
により、さらに焼結性を向上させることができる。

【００８７】以下、本発明の実施例を説明する。

【００８８】（実施例）

【００８９】第１実施例 母材原料として、平均１次粒子径が４μｍのアトマイズ
ＳＵＳ３０４粉末を用意し、エタノールを用いて顆粒状
にして９００℃で仮焼したのち、ふるいを用いて平均粒
径５００μｍになるように造粒した。次に、分散材原料
として、平均１次粒子径が約0.１μｍのＺｒＯ₂ 粉末
（ＹＺＰ：３mol Ｙ₂ Ｏ₃ 添加）を用意し、ボールミル
および乳鉢を用いて平均粒径６０μｍになるように解砕
した。次いで、ＳＵＳポット中で、前記母材造粒粉の表
面に、前記ＺｒＯ₂ 造粒粉を１０体積％となるようにま
ぶして不連続に点在させ、原料粉末を調整した。次に、
得られた原料粉末を金型に入れ、プレス成形し（５ｔ／
ｃｍ² ）、１２８０℃×４時間（真空中）で焼結して、
本実施例にかかる複合材料を得た（試料番号：１）。

【００９０】得られた複合材料の断面を、顕微鏡により
組織観察を行った。複合材料の断面の金属組織を示す光
学顕微鏡写真図（倍率：１００倍）を、図１に示す。図
１より明らかなように、母材物質からなる第１相と、該
第１相を不連続に取り囲むように形成された分散材より
なる第２相とからなる複合材料セルを構成単位とし、該
構成単位の複合セルが多数結合して構成され、第２相を
構成する分散材が、母材中において三次元網目状で不連
続に分散してなる構造を有していることが分かる。

【００９１】比較例１ 比較のため、平均一次粒子径が４μｍのアトマイズＳＵ
Ｓ３０４粉末に、平均粒子径が約0.１μｍのＺｒＯ₂ 粉
末（ＹＺＰ：３mol Ｙ₂ Ｏ₃ 添加）を１０体積％となる
ように添加して均一に混合した混合粉を、金型に入れて
プレス成形し（５ｔ／ｃｍ² ）、１２８０℃×４時間
（真空中）で焼結して、比較用焼結体を作製した（試料
番号：Ｃ１）。得られた複合材料の断面を、顕微鏡によ
り組織観察を行った。複合材料の断面の金属組織を示す
光学顕微鏡写真図（倍率：１００倍）を、図１５に示
す。図１５より明らかなように、母材物質の第１相の中
に第２相が均一に分散した構造を有していることが分か
る。

【００９２】比較例２ 比較のため、平均一次粒子径が１０μｍのアトマイズＳ
ＵＳ３０４粉末の周囲に、平均粒子径が約0.１μｍのＺ
ｒＯ₂ 粉末（ＹＺＰ：３mol Ｙ₂ Ｏ₃ 添加）を１０体積
％となるように連続して被覆して得た混合粉を、金型に
入れてプレス成形し（５ｔ／ｃｍ² ）、１２８０℃×４
時間（真空中）で焼結して、比較用焼結体を作製した
（試料番号：Ｃ２）。得られた複合材料の断面を、顕微
鏡により組織観察を行ったところ、１０μｍ程度の１次
粒子に近い大きさの第１相のまわりを第２相が連続的に
取り囲んだような構造を有していた。

【００９３】性能評価試験 以上、第１実施例により得られた複合材料、および比較
例１、比較例２で得られた比較用焼結体について、断熱
評価試験を行った。すなわち、先ず、得られた焼結体を
φ２０×３ｍｍに加工し、その表面を♯５００〜♯１５
００の研摩紙で仕上げた後、熱伝導（断熱）特性を評価
した。熱伝導特性の評価は、試料の表裏面に室温下で２
００℃の温度差を与えたときに、低温側面の温度の経時
変化を測定することにより評価した。その結果を、表１
に示す。なお、同表には、参考のために、ＳＵＳ単体の
データを併せて示した。

【００９４】

【表１】

【００９５】表１より明らかなように、本実施例の焼結
体は、ＳＵＳ単体に比べて断熱性が大きく向上している
とともに、比較例１および比較例２よりも優れた断熱特
性を示していることが分かった。

【００９６】第２実施例 平均１次粒子径0.１μｍのＳｉ₃ Ｎ₄ 粉末９２重量％
と、平均１次粒子径0.５μｍのＹ₂ Ｏ₃ 粉末５重量％、
および平均１次粒子径0.１μｍのＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末３重量
％とを、ボールミルで湿式混合して、平均粒径５００μ
ｍ以下の母材原料造粒粉を作製した。次に、該母材原料
造粒粉の表面に、全重量に対して１０体積％となるよう
に平均１次粒子径0.４μｍのＳｉＣ粒子をまぶして不連
続に点在させて、原料粉末を得た。次に、この原料粉末
を金型に入れてプレス成形し、その後１８５０℃、４時
間、Ｎ₂ 圧１０kg／cm² の条件で加圧焼結し、本実施例
にかかる本発明の複合材料を得た（試料番号：２）。

【００９７】得られた複合材料の断面をプラズマエッチ
ングして、該断面の粒子構造をＳＥＭ（走査型電子顕微
鏡）により観察した。その結果、マトリックスのＳｉ₃
Ｎ₄は、第２相としてのＳｉＣ粒子により区画されたマ
トリックス物質からなる第１相が第２相とともに複合材
料セルとして構成単位をなしており、該複合セルが複数
結合して複合材料を構成しており、分散材がマトリック
ス中において、三次元網目状で不連続に分散しているこ
とが確認された。また、第１相には、複数個のＳｉ₃ Ｎ
₄ 結晶粒が存在していた。

【００９８】比較例３ 比較のため、９２重量％のＳｉ₃ Ｎ₄ 粉末（平均１次粒
子径０．１μｍ）と５重量％のＹ₂ Ｏ₃ 粉末（平均１次
粒子径０．５μｍ）および平均一次粒子径０．１μｍの
Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉末３重量％とをボールミルで湿式混合して
作製した造粒粉（平均粒径５００μｍ以下）の表面の全
体に、平均１次粒子径０．４μｍのＳｉＣ粉末を連続的
になるようにまぶした。その後、この造粒粉を上記と同
様な条件で成形および加圧焼結を行った（試料番号：Ｃ
３）。この比較用焼結体の断面を前記第２実施例と同様
に観察したところ、マトリックスのＳｉ₃ Ｎ₄ 中にＳｉ
Ｃ粒子が三次元網目状で連続的に分散していた。

【００９９】比較例４ 比較のため、８２重量％のＳｉ₃ Ｎ₄ 粉末（平均１次粒
子径０．３μｍ）と５重量％のＹ₂ Ｏ₃ 粉末（平均１次
粒子径１μｍ）および平均一次粒子径０．１μｍのＡｌ
₂ Ｏ₃ 粉末３重量％と１０重量％の平均１次粒子径０．
４μｍのＳｉＣ粉末とを同時にボールミルで湿式混合し
て、ＳｉＣ粒子がマトリックス中に均一に分散している
造粒粉（平均粒径５００μｍ以下）を作製し、それ以外
は上記第２実施例と同様の条件で成形および加圧焼結を
行った（試料番号：Ｃ４）。この比較用焼結体の断面を
観察したところ、マトリックスのＳｉ₃ Ｎ₄ 中にＳｉＣ
粒子が均一に分散していた。

【０１００】性能評価試験 以上、第２実施例により得られた複合材料、および比較
例３、比較例４で得られた比較用焼結体について、曲げ
強度（ＪＩＳ４点曲げ強度試験法に準ずる、室温および
１４００℃で測定）、電気抵抗値（４接点法）、弾性率
（共振法）を測定した。その結果、本実施例の焼結体
は、室温および高温での強度が比較例試料番号Ｃ３、Ｃ
４のいずれのものよりも大きく、また、電気抵抗値およ
び弾性率が炭化珪素が均一に分散している比較例（試料
番号：Ｃ４）よりも優れていることが確認された。

【０１０１】第３実施例 母材原料として、平均１次粒子径が４μｍのアトマイズ
ＳＵＳ３０４粉末を用意し、エタノールを用いて顆粒状
にして９００℃で仮焼したのち、ふるいを用いて平均粒
径５００μｍになるように造粒した。次に、分散材原料
として、平均１次粒子径が約0.１μｍのＺｒＯ₂ 粉末
（ＹＺＰ： 12 mol ＣｅＯ₂ 添加）を用意し、ボールミ
ルおよび乳鉢を用いて平均粒径６０μｍになるように解
砕した。次いで、ＳＵＳポット中で、前記母材造粒粉の
表面に、前記ＺｒＯ₂ 造粒粉を１５体積％となるように
まぶして不連続に点在させ、原料粉末を調整した。次
に、得られた原料粉末を金型に入れ、プレス成形し（５
ｔ／ｃｍ² ）、１２８０℃×４時間（真空中）で焼結し
て、本実施例にかかる複合材料を得た（試料番号：
３）。

【０１０２】得られた複合材料の断面を、第１実施例と
同様に顕微鏡により組織観察を行った。その結果、母材
物質からなる第１相と、該第１相を不連続に取り囲むよ
うに形成された分散材よりなる第２相とからなる複合材
料セルを構成単位とし、該構成単位の複合セルが多数結
合して構成され、第２相を構成する分散材が、母材中に
おいて三次元網目状で不連続に分散してなる構造を有し
ていることが確認された。

【０１０３】比較例５ 比較のため、平均一次粒子径が４μｍのアトマイズＳＵ
Ｓ３０４粉末に、平均粒子径が約0.１μｍのＺｒＯ₂ 粉
末（ＹＺＰ： 12 mol ＣｅＯ₂ 添加）を１５体積％とな
るように添加して均一に混合した混合粉を、金型に入れ
てプレス成形し（５ｔ／ｃｍ² ）、１２８０℃×４時間
（真空中）で焼結して、比較用焼結体を作製した（試料
番号：Ｃ５）。得られた複合材料の断面を、前記第１実
施例と同様に顕微鏡により組織観察を行った。その結
果、母材物質の第１相の中に第２相が均一に分散した構
造であることが確認された。

【０１０４】性能評価試験 以上、第３実施例により得られた複合材料、および比較
例５で得られた比較用焼結体について、レーザフラッシ
ュ法による断熱評価試験を行った。その結果を、表２に
示す。なお、同表には、参考のために、ＳＵＳ単体のデ
ータを併せて示した。

【０１０５】

【表２】

【０１０６】表２より明らかなように、本実施例の焼結
体は、ＳＵＳ単体に比べて断熱性が大きく向上している
とともに、比較例５よりも優れた断熱特性を示している
ことが分かった。

【０１０７】第４実施例 母材原料として、平均１次粒子径が４μｍのアトマイズ
ＳＵＳ３０４粉末を用意し、エタノールを用いて顆粒状
にして９００℃で仮焼したのち、ふるいを用いて平均粒
径５００μｍになるように造粒した。次に、分散材原料
として、平均１次粒子径が約0.５μｍのＹ₂ Ｏ₃ 粉末を
用意し、ボールミルおよび乳鉢を用いて平均粒径６０μ
ｍになるように解砕した。次いで、ＳＵＳポット中で、
前記母材造粒粉の表面に、前記Ｙ₂ Ｏ₃ 造粒粉を１０体
積％となるようにまぶして不連続に点在させ、原料粉末
を調整した。次に、得られた原料粉末を金型に入れ、プ
レス成形し（５ｔ／ｃｍ² ）、１２８０℃×４時間（真
空中）で焼結して、本実施例にかかる複合材料を得た
（試料番号：４）。

【０１０８】得られた複合材料の断面を、第１実施例と
同様に顕微鏡により組織観察を行った。その結果、母材
物質からなる第１相と、該第１相を不連続に取り囲むよ
うに形成された分散材よりなる第２相とからなる複合材
料セルを構成単位とし、該構成単位の複合セルが多数結
合して構成され、第２相を構成する分散材が、母材中に
おいて三次元網目状で不連続に分散してなる構造を有し
ていることが確認された。

【０１０９】比較例６ 比較のため、平均一次粒子径が４μｍのアトマイズＳＵ
Ｓ３０４粉末に、平均粒子径が約0.５μｍのＹ₂ Ｏ₃ 粉
末を１０体積％となるように添加して均一に混合した混
合粉を、金型に入れてプレス成形し（５ｔ／ｃｍ² ）、
１２８０℃×４時間（真空中）で焼結して、比較用焼結
体を作製した（試料番号：Ｃ６）。得られた複合材料の
断面を、第１実施例と同様に、顕微鏡により組織観察を
行った。その結果、母材物質の第１相の中に第２相が均
一に分散した構造を有していることが確認された。

【０１１０】性能評価試験 次に、第４実施例により得られた複合材料、および比較
例６で得られた比較用焼結体について、耐酸化特性強化
試験を行った。得られた結果を、表３に示す。なお、同
表には、参考のために、ＳＵＳ単体のデータを併せて示
した。

【０１１１】

【表３】

【０１１２】表３より明らかなように、本実施例の複合
材料は、高温でのＳＵＳの耐酸化性を大きく改善すると
ともに、比較例６に比べて酸化増量が１／２以下に減少
し、より優れた特性を示していることが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例において得られた複合材料
の断面の金属組織を示す光学顕微鏡写真図（倍率：１０
０倍）である。

【図２】本発明の複合材料の複合材料セルの構造の具体
的一例を概念的に説明した説明図である。

【図３】本発明の複合材料の複合材料セルの構造の他の
具体的一例を概念的に説明した説明図である。

【図４】本発明の複合材料の複合材料セルの構造の他の
具体的一例を概念的に説明した説明図である。

【図５】本発明の複合材料の複合材料セルの構造の他の
具体的一例を概念的に説明した説明図である。

【図６】本発明の複合材料の具体的一例の断面の金属組
織を説明する説明図である。

【図７】本発明の複合材料を構成する網目の具体的一例
を概念的に説明した説明図である。

【図８】本発明の結合強化層を有する複合材料の断面の
具体的一例を概念的に説明した説明図である。

【図９】本発明の好適な複合材料の具体的一例の構造を
概念的に説明する説明図である。

【図10】本発明の好適な複合材料の具体的一例の構造を
概念的に説明する図であって、分散材の選択順位と距離
との関係を示す線図である。

【図11】本発明の他の好適な複合材料の具体的一例の構
造を概念的に説明する図であって、分散材の選択順位と
距離との関係を示す線図である。

【図12】本発明の他の好適な複合材料の具体的一例の構
造を概念的に説明する図であって、分散材の選択順位と
距離との関係を示す線図である。

【図13】本発明の複合材料における分散材の好適な分散
構造の一例を概念的に説明する説明図である。

【図14】本発明の複合材料における分散材の他の好適な
分散構造の一例を概念的に説明する説明図である。

【図15】比較例１において得られた比較用複合材料の断
面の金属組織を示す光学顕微鏡写真図（倍率：１００
倍）である。

【符号の説明】

１ ・・・ 複合材料 ２ ・・・ 複合材料セル ３ ・・・ 第１相 ３１ ・・・ 第１相構成物質 ４ ・・・ 第２相 ４１ ・・・ 分散材 ５ ・・・ 結合強化層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−112028（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−17102（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−327056（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−131385（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 1/10

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 母材物質からなる第１相と，該第１相を
   不連続に取り囲むように形成された分散材よりなる第２
   相とからなる複合材料セルを構成単位としてなる複合材
   料であって、前記分散材が、前記複合材料中において三
   次元網目状で不連続に分散してなることを特徴とする複
   合材料。
2. 【請求項２】 前記複合材料セルの第２相が、少なくと
   も４か所の不連続部を有してなり、該不連続部は、前記
   第１相と該第１相と隣り合う他の第１相とを結合する結
   合強化相，前記第１相と前記第２相とを結合する結合強
   化相，前記第２相と該第２相と隣り合う他の第２相とを
   結合する結合強化相の何れかを少なくとも有してなり、
   該結合強化相により第１相どうしをより強固にするとと
   もに、第２相を複合材料中に強く固定・保持してなるこ
   とを特徴とする請求項１記載の複合材料。
3. 【請求項３】 前記第２相の結合強化相が、複合材料中
   において三次元網目状で連続または／および不連続に分
   散してなることを特徴とする請求項２記載の複合材料。
4. 【請求項４】 母材物質としての複数のマトリックス結
   晶粒からなる第１相と、該複数のマトリックス結晶粒の
   周囲を取り込むように一つのセルとして三次元網目状に
   分散する結合強化相を形成させ，該結合強化相の中に分
   散材を分散させた第２相とからなる複合材料セルを構成
   単位としてなる複合材料であって、前記第２相の分散材
   が複合材料中において三次元網目状で不連続に分散して
   なり、かつ、前記第２相の結合強化相が複合材料中にお
   いて三次元網目状で連続または／および不連続に分散し
   てなることを特徴とする複合材料。
5. 【請求項５】 前記第１相を構成する母材物質の大きさ
   が１μｍ〜１０ｍｍであり、前記第２相を構成する分散
   材の大きさが長径で0.０１μｍ〜４ｍｍでかつ前記母材
   物質の大きさの１／４以下であることを特徴とする請求
   項１または４記載の複合材料。
6. 【請求項６】 前記第１相を構成する母材物質が、セラ
   ミックス、金属、樹脂、および金属間化合物の少なくと
   も１つであることを特徴とする請求項１または４記載の
   複合材料。
7. 【請求項７】 前記第２相を構成する分散材が、セラミ
   ックス、金属、樹脂、および金属間化合物の少なくとも
   １つであることを特徴とする請求項１または４記載の複
   合材料。
8. 【請求項８】 前記第２相を構成する分散材の形状が、
   粒子、ウィスカ、ファイバーの少なくとも１つであるこ
   とを特徴とする請求項１または４記載の複合材料。
9. 【請求項９】前記母材物質と前記分散材との組み合わ
   せ、または入れ代わった組み合わせが、窒化珪素−炭化
   珪素、窒化珪素−シリカ、窒化珪素−窒化ホウ素、窒化
   珪素−窒化チタン、窒化珪素−炭化チタン、窒化珪素−
   フェライト磁石、炭化珪素−アルミナ、炭化珪素−窒化
   アルミ、炭化珪素−窒化チタン、炭化チタン−炭化珪
   素、アルミナ−炭化チタン、アルミナ−ジルコニア、ア
   ルミナ−ジルコン、アルミナ−窒化珪素、アルミナ−ダ
   イヤモンド、アルミナ−窒化アルミ、ムライト−アルミ
   ナ、ムライト−ジルコニア、サイアロン−炭化珪素、ジ
   ルコニア−アルミナ、ガラス−炭化珪素、ガラス−アル
   ミナ、チタン酸ジルコン酸鉛−炭化珪素、チタン酸ジル
   コン酸鉛−チタン酸バリウム、チタン酸鉛−チタン酸ス
   トロンチウム、コーディエライト−ムライト、ジルコニ
   ア−ニッケル・クロム合金の少なくとも１つであること
   を特徴とする請求項１または４記載の複合材料。
10. 【請求項１０】前記母材物質と前記分散材との組み合わ
    せ、または入れ代わった組み合わせが、ニッケル−トリ
    ア、ニッケル・クロム合金−トリア、ニッケル・クロム
    合金−イットリア、鉄・クロム合金−イットリア、鉄・
    クロム合金−ジルコニア、鉄・クロム合金−アルミナ、
    アルミニウム−タングステン、アルミニウム−ステンレ
    ス、アルミニウム−カーボン、アルミニウム−ボロン、
    アルミニウム−アルミナ、アルミニウム−炭化珪素、ア
    ルミニウム−イットリア、マグネシウムまたはマグネシ
    ウム合金−アルミナ、アルミニウム合金−アルミナ、ニ
    ッケルまたはニッケル合金−アルミナ、モリブデンまた
    はモリブデン合金−アルミナ、マグネシウム−炭化珪
    素、銅−アルミナ、銅−タングステン、銅−イットリ
    ア、ニッケル・クロム合金−イットリア、ニッケル・ク
    ロム合金−ジルコニア、ニッケル・クロム合金−カルシ
    ア、ニッケル・クロム合金−シリカ、銀−タングステン
    の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１また
    は４記載の複合材料。
11. 【請求項１１】前記母材物質と前記分散材との組み合わ
    せが、ポリ塩化ビニル−鉛または鉛合金、ポリ塩化ビニ
    ル−二酸化マンガン、ポリプロピレン−タルク、ポリプ
    ロピレン−炭酸カルシウム、ポリプロピレン−炭酸マグ
    ネシウム、エポキシ樹脂−炭化珪素、エポキシ樹脂−シ
    リカ、エポキシ樹脂−ガラス、シリコン樹脂−炭化珪
    素、ポリエチレン−カーボン、熱硬化性樹脂−シリカ、
    熱硬化性樹脂−シリカ、ゴム−カーボンブラック、樹脂
    −黒鉛、樹脂−ニッケル、カーボン−炭化珪素の少なく
    とも１つであることを特徴とする請求項１または４記載
    の複合材料。
12. 【請求項１２】前記母材物質と前記分散材との組み合わ
    せ、または入れ代わった組み合わせが、窒化珪素−炭化
    珪素、窒化珪素−窒化ホウ素、窒化珪素−窒化チタン、
    炭化珪素−アルミナ、炭化珪素−窒化アルミ、アルミナ
    −炭化チタン、アルミナ−ジルコン、サイアロン−炭化
    珪素、ガラス−炭化珪素、鉄・クロム合金−イットリ
    ア、鉄・クロム合金−ジルコニア、鉄・クロム合金−ア
    ルミナ、アルミニウム −ステンレス、アルミニウム−
    カーボン、アルミニウム−炭化珪素、銅−アルミナ、ニ
    ッケル・クロム合金−ジルコニアの少なくとも１つであ
    ることを特徴とする請求項１または４記載の複合材料。
13. 【請求項１３】前記母材物質と前記分散材との組み合わ
    せが、エポキシ樹脂−炭化珪素、シリコン樹脂−炭化珪
    素、ポリエチレン−カーボン、樹脂−黒鉛、樹脂−ニッ
    ケル、カーボン−炭化珪素の少なくとも１つであること
    を特徴とする請求項１または４記載の複合材料。
14. 【請求項１４】前記結合強化相は、易焼結性の無機材料
    および／または微小粒子の無機材料である請求項２また
    は４記載の複合材料。