JPH11508325A - 繊維強化アルミニウムマトリックス（基）複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 実質的に純粋の元素アルミニウム、あるいは銅を約２％以下含有する元素アルミニウムの合金のマトリックス中に封じ込めた多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維から生成された金属マトリックス複合材料が開示される。生成した材料は、高強度を特徴とし、その材料は低重量であるので、特に、高電圧送電を含む種々の産業の利用に、好適である。

Description

【発明の詳細な説明】 繊維強化アルミニウムマトリックス（基）複合材料 米国政府の実施権 米国政府は、本発明において支払い済みの実施権を所有し、および防衛高等研 究企画庁（ＤＡＲＰＡ）により裁定された契約番号ＭＤＡ ９７２-９０-Ｃ-０ ０１８の条件によって、妥当な条件で他者に実施権を供与することを特許権者に 請求する限定状況での権利を有する。 技術分野 本発明は、アルミニウムマトリックス中にセラミック繊維を有する複合材料に 関する。この材料は、高強度、及び、低重量材料が必要とされる種々の用途に好 適である。 背景技術 連続繊維強化アルミニウムマトリックス複合材料（ＣＦ−ＡＭＣｓ）は、従来 の合金及び微粒子から成る金属マトリックス複合材料に比較すると、極めて優れ た特性を有する。その複合複合材料の長さ方向の剛性は、普通、従来の合金の剛 性の３倍はあり、さらに、その複合材料の比強度は、普通、高強度鋼おるいはア ルミニウム合金の２倍である。さらに、多くの用途に対して、ＣＦ−ＡＭＣｓは 、グラファイトーポリマ複合材料と比較した時に、異方性が比較的少ない性質、 特に、繊維軸方向と異なる方向でも高強度の性質を有することにより興味がある 。 加えて、ＣＦ−ＡＭＣｓは、使用可能温度範囲を極めて向上し、ポリママトリ ックス複合材料が、普通惹起する環境問題を起こす事もない。この問題には、特 に、紫外線放射に曝された時の高温多湿環境での薄片化、低品位化が含まれる。 ＣＦ−ＡＭＣｓには、多くの利点があるにも拘わらず、既知のＣ Ｆ−ＡＭＣｓには、多くのエンジニアリング用途でその使用を妨げる欠点がある 。ＣＦ−ＡＭＣｓには、普通、高弾性率、高強度の特徴があるが、しかし、両方 の性質を同時に実現できることは殆ど不可能である。この特質は、アカデミック プレス社が１９９１年に出版したＲ．Ｋ．Ｅｖｅｒｅｔｔ及びＲ．Ｊ．Ａｒｓｅ ｎａｕｌｔ．Ｅｄｓ氏編の「プロセシング及びインターフェース」の金属基複合 材料の章（４３〜８２頁）のＲ．Ｂ．Ｂｈａｇａｔ氏のＶ表「繊維強化金属マト リックス複合材料の鋳造」に解説がある。この参考文献には、鋳造ＣＦ−ＡＭＣ ｓの性質として、高強度炭素繊維強化アルミニウムにおける１ＧＰａを超える強 度と１６０ＧＰａを超える弾性率を有する鋳造ＣＦ−ＡＭＣｓ、横方向の強度、 圧縮強度、耐腐食性が低い複合材料の性質をリスト化しているに過ぎない。現在 、すべての方向で強度が高く、しかもすべての方向で高弾性率を有するＣＦ−Ａ ＭＣｓに対して満足されるアプローチ方法は、化学蒸着で製造した繊維を使用し たものである。化学蒸着で製造した繊維は、普通、ホウ素なので高価であり、曲 率半径の小さいプレフォームに巻くには大きすぎる。そして溶融アルミニウム中 で化学反応を起こす。これらの要因の各々は、繊維の処理しやすさや市販の希望 を大きく損なわせる。 さらに、アルミニウム合金マトリックス中に酸化アルミニウム（アルミナ）繊 維がある様な複合材料は、その製造時に伴う欠点がある。特に、その複合材料の 製造時、マトリックスの材料を完全に繊維の束に浸出させることが難しいことが 見出された。また、この分野で既知の多くの金属複合材料は、繊維とその周辺の マトリックス間で発生する化学的な相互作用の結果、長期的に安定せず時間と共 に品質の劣化が起こる欠点がある。さらに、他の例として、マトリックス金属で 繊維を完全に濡れさせることが困難であることが見出され ている。これらの困難を克服する試みが行われている（特に、繊維に化学被覆を 施して濡れ性を向上し、化学的な品質劣化を制限し、及び、差圧を利用してマト リックスの浸出を容易にする）ものの、ほんのある程度しか成功していない。例 えば、その結果として、ある場合には、マトリックスは、物理的性質の劣化を示 す。さらに、普通、繊維の被覆法は、製造プロセス中、複雑な数段階のプロセス ステップを追加する必要が生じる。 前記の観点から、強度や重量特性を向上し、長期的に品質劣化が無く、最小の プロセスステップを利用して生産できるセラミック繊維金属複合材料のニーズが 存在する。 発明の開示 本発明は、広く工業的に適用できる連続繊維アルミニウムマトリックス複合材 料に関する。その最も広い形態に置いては、本発明は、マトリックス／繊維の界 面で、脆化し易い金属間化合物、あるいは、汚染物質の偏析領域を発生し易い汚 染物のないマトリックス材料に含有される連続高強度、高剛性の繊維の使用を特 徴とする連続繊維アルミニウムマトリックス複合材料に関する。繊維は、抗張力 が比較的高い繊維から選択されるのに対し、マトリックス材料は比較的抗張力が 低い材料から選択される。さらに、その材料は、溶融状態および固相状態の両方 において、マトリックス中で比較的不活性であるものから選択される。 特に、本発明は、元素アルミニウム（降伏強さが約２０ＭＰａ）、あるいは約 ２％以下の銅を含有した元素アルミニウム（降伏強さが約８０ＭＰａ）のマトリ ックス中に含まれた多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃（抗張力が約２．８ＧＰａ）の連続繊維 を有する複合材料に関する。その複合材料構造は、高強度及び低重量を示し、同 時に長期間使用しても品質劣化しない能力を持つ。その複合材料は、さらに、従 来技 術による複合材料に伴う多くのプロセスステップを必要としないで製造が可能で ある。 一つの実施例として、本発明の連続繊維アルミニウムマトリックス複合材料は 、希望の強度-重量特性および高電導度を示すワイヤに成形が可能である。この ワイヤは従来技術で既知の高電圧送電（ＨＶＰＴ）ケーブルを超える改良電気お よび物理的特性を供給するので、高電圧送電ケーブル中のコアー材料としての使 用に好適である。 図面の簡単な説明 図１は、超音波エネルギを利用する複合材料金属マトリックスワイヤを製造す る装置の概念図である。 図２ａ及び２ｂは、複合材料金属マトリックスコアーを有する２例の頭上高電 圧送電ケーブル概念図、断面図である。 図３は、他の材料と本発明の材料を、強度対重量の比で比較したチャートであ る。 図４ａ及び４ｂは、種々のケーブルのスパン長の関数として、張り出したたわ みを比較したグラフである。 図５は、ＣＦ−ＡＭＣワイヤに対する温度の関数としての熱膨張係数を示すグ ラフである。 発明を実施するための最良の形態 本発明の繊維強化アルミニウムマトリックス複合材料は、主として、純粋の元 素アルミニウムあるいは重量％で銅を約２％以下を含む純粋のアルミニウム合金 のマトリックス中に封じ込められた多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃の連続繊維を含む。 好ましい繊維は、約１００ｎｍより少ない等軸粒度と１〜５０マイクロメータ の範囲の繊維の直径を有する。約５〜２５マイクロメータの範囲の繊維の直径は 、最も好ましい約５〜１５マイクロメータの繊維の直径の範囲を保有することが 好ましい。好ましくは、複 合材料は、１立方センチメートル当たり、約３．９０〜３．９５グラムの繊維比 重を保有する。これらの好ましい繊維の中には、米国特許第４，９５４，４６２ 号（Ｗｏｏｄ ｅｔ ａｌ．、ミネソタ鉱山製造会社，Ｓｔ，Ｐａｕｌ，ＭＮに 譲渡）に記載がある繊維がある。その教義については、本出願申請書に参考文献 として組み入れられている。その繊維は、「ミネソタ鉱山製造会社，Ｓｔ，Ｐａ ｕｌ，ＭＮ」から、ＮＥＸＴＥＬ^TM（登録商標）６１０セラミックファイバの名 称で、市販されている。繊維を封じ込むマトリックスは、繊維材料と化学的に反 応しないマトリックスから選択され、そのため、繊維の外面上に保護被覆を施す 必要がなくなる。 本特許明細書で使用される「多結晶」という術語は、結晶粒の粒度が、その結 晶粒が存在する繊維の直径より小さい粒径の複数結晶粒が支配的に存在する材料 を意味する。「連続」という術語は、繊維の直径と比較したときに、比較的無限 の長さを有する繊維を意味するよう意図されている。実際的な条件では、このフ ァイバは、約１５ｃｍから少なくとも数メートル程度の長さを有し、数キロメー タ以上程度の長さを持つことさえもある。好ましい実施例として、実質的に純粋 の元素アルミニウム、あるいは、約２％以下の銅を含む純粋のアルミニウムの合 金を含むマトリックスを使用すると、複合材料の製造に成功することが示されて いる。本特許明細書で使用される術語「実質的に純粋な元素アルミニウム」、術 語「純粋なアルミニウム」、および、術語「元素アルミニウム」は、交換が可能 であり、重量で約０．０５％より少ない不純物を含有するアルミニウムを意味す るよう意図されている。その不純物は、通常、第１列の遷移金属（チタニウム、 バナジウム、クロミウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、および、亜鉛） 、及び、ランタニド系列中の第２列、第３列の金属及び元素を含む。一つの好ま しい実施例にお いて、それらの術語は、重量で、約０．０３％より少ない鉄、最も好ましくは、 重量で、約０．０１％より少ない鉄を有するアルミニウムを意味するように意図 されている。鉄は、アルミニウムに良く見られる汚染物質であり、さらに、鉄と アルミニウムは、結合して脆性のある金属間化合物（例えば、Ａｌ₃Ｆｅ、Ａｌ₂ Ｆｅなど）になるので、鉄の含有量を最小にすることが好ましい。また、珪素（ 溶融アルミニウムの存在で、自由珪素に還元されるＳｉＯ₂から生じる）による 汚染を避けることが特に望ましい。その理由は、珪素は、鉄のように、脆性のあ る相を形成し、さらに、珪素はアルミニウム（そして、存在する如何なる鉄）と 反応して、脆性を示すＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ金属間化合物を形成するからである。複合 材料に脆性のある相が存在することは、好ましくない。その理由は、その脆性の ある相は、応力が掛かった場合に、複合材料中の割れを促進するからである。特 に、その脆性のある相は、強化セラミック繊維の破壊以前でも、マトリックスに 破壊を惹起して、複合材料の損傷をもたらす。普通、脆性のある金属間化合物を 生成する如何なる大量の遷移金属（すなわち、周期表で第ＩＢ族から第ＶＩＩＩ 族まで）を避けることが望ましい。本特許明細書で特に述べた鉄と珪素は、冶金 プロセスの結果として、普通に現れる不純物である。 前記第１遷移金属列の各々は、溶融アルミニウムに比較的可溶で、指摘したよ うに、アルミニウムと反応して、脆性のある金属間化合物を形成する。反対に、 錫、鉛、ビスマス、アンチモンなどの様な金属不純物は、アルミニウムと化合物 を形成せず、溶融アルミニウム中には、ほとんど不溶解である。その結果、これ らの不純物は、繊維／マトリックス界面に偏析する傾向がある。そのため、その 界面で複合材料の強度を弱くする。その偏析は、全体的な負荷分布領域（後述） に寄与することにより、最終的に、複合材料の長さ方向 の強度を向上することができるが、しかし、不純物が存在すると、繊維／マトリ ックスの界面で剥離が発生し、その結果、最終的に、複合材料の横方向の強度の 大幅な減少をもたらす。周期表の第ＩＡ族、第ＩＩＡ族の元素は、繊維と反応し 、複合材料中の繊維強度の大幅な減少をもたらす。マグネシウムとリチウムは、 この点によって、および、一部は、繊維および金属が処理プロセス中、あるいは 、使用中、高温に保持される時間の長さによって、特に好ましくない元素である 。 本特許明細書で使用された術語「実質的に純粋な元素アルミニウム」、術語「 純粋なアルミニウム」、及び、術語「元素アルミニウム」の意味するところは、 強化繊維ではなくて、マトリックス材料に適用される意図があると理解されるも のとする。その理由は、繊維は、その結晶粒構造内に鉄（他の元素の可能性もあ る）の化合物の領域を容易に含むからである。その様な領域は、実質的に、繊維 製造プロセスの残存物で、複合材料の全体的な特性には、あまり影響を与えない 。その理由は、その領域は比較的小さく、繊維の粒内に完全に包み込まれてしま うからである。こうして、その領域は、複合材料マトリックスとは、反応せず、 この理由によりマトリックス汚染に基づく欠点を避けることができる。 本発明の複合材料で使用された金属マトリックスは、強化繊維に比較して、低 い降伏強さを有するものが選択される。これに関連して、降伏強さは、非強化金 属あるいは合金の標準的な引張試験において、０．２％オフセット歪での応力と して定義される。通常、アルミニウムマトリックス複合材料の二つの種類が、マ トリックスの降伏強さに関して、広く認められている。マトリックスが比較的低 い降伏強さを有する複合材料では、実質的に、強化繊維の強さで支配される長さ 方向の抗張力が高くなる。本申請書で使用したように、 アルミニウムマトリックス複合材料における降伏強さが低いアルミニウムマトリ ックスとは、約１５０ＭＰａより少ない降伏強さを有するマトリックスとして定 義される。好ましくは、マトリックスの降伏強さは、同じ組成を有し、および、 複合材料マトリックスを作成するのに使用した材料の製造方法と同じ方法で製造 されたマトリックス材料のサンプルで測定される。こうして、例えば、複合材料 に使用された実質的に純粋の元素アルミニウムマトリックス材料の降伏強さは、 繊維強化をせずに、実質的に純粋のアルミニウムの降伏強さを試験することで決 定される。好ましくは、試験方法はＡＳＴＭ（米国材料試験協会）引張試験標準 Ｅ３４５-９３（金属箔の引張試験の標準試験方法）に従うことが良い。降伏強 さの低いマトリックスを有する複合材料では、マトリックスと繊維界面付近でマ トリックスの剪断があっても、破壊繊維付近の応力集中が減じられ、全体の応力 再分布が可能となる。この機構により、複合材料は、「混合物の法則」の強度に 到達する。純粋のアルミニウムは、約１３．８ＭＰａ（２ｋｓｉ）より少ない降 伏強さを有し、Ａｌ-２重量％Ｃｕ合金は、約９６．５ＭＰａ（１４ｋｓｉ）よ り少ない降伏強さを有する。 前記低降伏強さのマトリックス複合材料は、前述の「混合物の法則」の強度よ りも低い長さ方向の複合材料強度を示す高降伏強さのマトリックスと対照できる 。高強度マトリックスを有する複合材料に特徴的な破壊モードは、突発的な割れ の伝搬によって発生する。複合材料が、高降伏強さのマトリックスを有すると、 普通、繊維が破損しても剪断に抵抗を示す。従って、繊維が破損した周辺は、応 力が集中してしまう。応力が集中して高くなると、割れが伝搬し、一番近い繊維 が損傷し、「混合物の法則」の強度が到達されるよりも、相当前に複合材料の突 発的な損傷を引き起こす。この機構の損 傷モードは、「局部負荷分配」から発生すると云われている。体積で約５０％の 繊維を含む金属マトリックス複合材料にとって、低降伏強さのマトリックスは、 ２．８ＧＰａ（４００ｋｓｉ）より大きい強度を有するアルミナ繊維と結合した ときには、強い｛すなわち、＞１．１７ＧＰａ（１７０ｋｓｉ）｝複合材料を生 成する。こうして、同じ繊維負荷の場合、複合材料の強度は、繊維強度と共に向 上すると信じられている。 粒子、ホイスカ、あるいは、短い（細かく切り刻んだ）繊維の形状で、小領域 の多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維の短線を浸出させることにより、複合材料の強度は、 さらに、向上される。その小領域は、普通２０マイクロメータより少ないオーダ 、および、しばしば、サブミクロンのオーダで、物理的に繊維の表面に補足され る。そして、複合材料中の個々の繊維間でスペースを形成する。このスペースは 、繊維間の接触を防ぎ、このことにより、強い複合材料を生成できる。材料の小 領域を使用して、繊維間の接触を最小にするという議論は、米国特許第４，９６ １，９９０号（Ｙａｍａｄａほか、Ｋａｂｕｓｈｉｋｉ Ｋａｉｓｙａ Ｔｏｙ ｏｔａ中央研究所、及び、宇部興産（株）、両者とも日本、に譲渡）に見出され る。 前記のように、複合材料を製造するのに最も大きな障害の一つは、周囲のマト リックス材料に対する強化繊維の濡れ性を十分にすることの困難性に関連する。 同様に、繊維の短線をマトリックス材料に浸出することも、金属マトリックス複 合材料生産上の困難な問題である。その理由は、普通、連続ワイヤ成型プロセス は、大気圧で、あるいは、その近辺で行われるからである。また、この問題は、 大気圧で、あるいは、その近辺で行われるバッチプロセスで製造した複合材料に も存在する。 繊維短線の不完全な浸出の問題は、マトリックスへの浸出の補助 として、超音波エネルギを使用することにより解決できる。例えば、米国特許第 ４，７７９、５６３号（Ｉｓｈｉｋａｗａほか、工業技術院、東京、日本、に譲 渡）には、シリコンカーバイド繊維強化金属複合材料から、プレフォームワイヤ 、シート、あるいは、テープを製造するときに、超音波振動装置を使用すること が、記載されている。この超音波エネルギは、繊維付近に存在する溶融マトリッ クス材料に浸漬したトランスジューサ、あるいは、超音波「ホーン」を有する振 動装置により、繊維に与えられる。好ましくは、そのホーンは、僅かでも、少量 の溶解性を溶融マトリックスに対して示す材料から製造される。その結果、マト リックスに不純物を混入することが避けられる。現在、市販の純粋ニオビウム、 あるいは、９５％ニオビウムと５％モリブデン合金が満足した結果を与える。そ こで使用されるトランスデューサは普通チタニウムを含む。 超音波ホーンを利用した金属マトリックス製造方法の１実施例を図１に示す。 その図では、多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維のタウ糸１０を、供給ロール１２から引き 出し、ローラ１４を介して、溶融したマトリックス金属を含む槽１６を通して引 き抜く。溶融マトリックス金属１８中に浸漬している間繊維のタウ糸１０は超音 波エネルギ源２０により与えられる超音波の作用を受ける。そのエネルギ源２０ は、一部のタウ糸１０の近辺で溶融マトリックス繊維１８に浸漬されている。エ ネルギ源２０は、発振器２２、及び、トランスデューサ２６及びホーン２７を有 する振動装置２４を含む。ホーン２７は、発振器２２により、生成された周波数 で溶融マトリックス金属を振動し、振動装置２４とトランスデューサ２６に伝送 する。そうすることにより、マトリックス金属は、完全にタウ糸に浸入する。浸 入タウ糸は、溶融マトリックスから引き抜かれ、テークアップロール２８に保存 される。 金属マトリックス複合材料の製造プロセスは、繊維を「プレフォーム」に成型 することが多い。普通、繊維は、複数列に巻き取られ、貯蔵される。極めて細い アルミナ繊維は、タウ糸が互いに平行になるように巻き取られる。最終複合材料 の希望繊維密度が実現できれば、如何なる積載方法でも良い。繊維は、角型ドラ ム、ホイールあるいは、リングの周囲に巻き付けることにより、簡単なプレフォ ームに加工される。また、繊維はシリンダ上に巻き付けることもできる。この方 法で巻き取られあるいは巻き付けられた繊維の多層は、切断され、積載され、あ るいは、互いに束ねられ、希望の形状に成型される。水のみ、あるいは、有機バ インダと水を混合して、繊維列を処理し、繊維を塊状にする。 複合材料の部分を製造する一つの方法として、繊維を鋳型内におき、溶融金属 で鋳型を満たし、金属を満たした鋳型全体を加圧する方法がある。「強化複合材 料の製造」と表題を付けた米国特許第３，５４７，１８０号にそのプロセスが記 載してある。鋳型は、マトリックス金属の汚染源であってはならない。一つの実 施例として、鋳型はグラファイト、アルミナ、あるいは、アルミナ被覆鋼から形 成される。繊維は鋳型内に希望の形状で、積載される。すなわち、鋳造技術の分 野で良く知られたように、鋳型壁に平行、あるいは、互いに垂直に配置した層状 に積載される。複合材料の形状は、鋳型が作成できるならば如何なる形状でも良 い。こうして、繊維構造は、角型のドラム、ホイール、リング、シリンダ形状、 あるいは、種々の鋳込み形状を含み、ただし、これらに限定されないが、種々の プレフォームを利用して製造される。上述のプレフォームの各々は、複合材料装 置を作成するバッチプロセスに関連している。実質的に連続的なワイヤ、テープ 、ケーブルなどを形成する連続プロセスも同様に使用される。普通、仕上げ部分 の表面を少々研削する必要が ある。ダイヤモンド研削を利用して、複合材料の塊の如何なる形状も切削するこ とが可能である。こうして、種々の複雑な形状を製造することが可能となる。 ワイヤの形は、アルミナの束、あるいは、アルミナのタウに溶融アルミニウム で浸入させることで形成される。この操作は、溶融アルミニウムの金属浴に繊維 のタウを供給して行われる。繊維の濡れ性を得るために、繊維が金属浴を通過し ている間、金属浴を攪拌するために、超音波ホーンが使用される。 繊維強化金属マトリックス複合材料が使用されるときには、軽量、堅牢、耐高 温性（少なくとも約３００℃）であることが要求される。例えば、複合材料は、 ジェットエンジンのガスタービンコンプレサブレード、構造用管、アクチュエー タ用ロッド、Ｉ-ビーム、自動車のコネクティングロッド、ミサイルの垂直安定 板、フライホィールのロータ、運動具（例えば、ゴルフクラブ）、および、送電 ケーブルのサポートコアーに使用される。金属マトリックス複合材料は、剛性、 強度、疲労抵抗、及び、摩耗特性において、非強化金属よりも優れている。 本発明の一つの具体例として、実質的に元素アルミニウムから成るマトリック ス中に、約３０〜７０％の多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維を含む複合材料がある。好ま しくは、そのマトリックスが、０．０３％より少ない鉄を含有し、最も好ましく は、そのマトリックスが、０．０１％より少ない鉄を含有すると良い。重量で４ ０〜６０％の多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維組成の繊維が好ましい。降伏強さが約２０ ＭＰａより少ないマトリックスと、長さ方向の抗張力が、少なくとも、約２．８ ＧＰａである繊維から製造された複合材料は、優れた強度特性を有することが発 見されている。 上述のように、マトリックスは、重量％で約２％以下の銅を有す る元素アルミニウムの合金からも形成される。ほぼ純粋の元素アルミニウムマト リックスが使用される実施例のように、アルミニウム／銅合金マトリックスを有 する複合材料は、好ましくは、重量で、３０〜７０％の多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維 を含み、さらに好ましくは、重量で、４０〜６０％の多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維を 含む。さらに、前記のように、マトリックスは、好ましくは、０．０３％より少 ない鉄を含み、最も好ましくは、０．０１％より少ない鉄を含む。アルミニウム ／銅マトリックスは、好ましくは、約８０ＭＰａより少ない降伏強さを有し、お よび、前記のように、多結晶αーＡｌ₂Ｏ₃繊維は長さ方向の抗張力が少なくとも 約２．８ＧＰａを有する。二つの複合材料、すなわち、元素アルミニウムマトリ ックスによる第一の複合材料、特定したアルミニウム／銅合金のマトリックスに よる第二の複合材料は、それぞれ、約５５〜６５体積％の多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊 維を含み、その複合材料の性質は、下記の表Ｉに示してある。 (1)本表に記載された性質は、55〜65体積％のNEXTEL^TM610セラミックス繊維を含 む複合材料について測定した機械的機能の範囲を示す。 この範囲は統計的分散を表していない。 (2)記号の説明 1=繊維に沿った方向、2=横方向、ij：ｉ応力が作用する平面に垂直な方向 j=応力方向、S=特に指定しない限り、破壊までの最大荷重（破壊強さ） 種々の用途に適しているが、一つの具体例として、本発明の複合材料は、複合 材料マトリックスワイヤを製造するのに適している。そのワイヤは、実質的に純 粋の元素アルミニウムマトリックス中に、あるいは、前記銅約２％以下を含む元 素アルミニウム合金から生成されたマトリックス中に、含まれる実質的に連続多 結晶α-Ａｌ２Ｏ３繊維から製造される。そのワイヤは、繊維タウ内に配置され た実質的に連続多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維のスプールを備えたプロセスにより製造 される。その繊維タウは、溶融マトリックス材料の浴を通して引き抜かれる。そ の結果生成したセグメント部分は、固形化し、マトリックスに封じ込められた繊 維を生成する。好ましくは、上述の超音波ホーンは、溶融マトリックス浴中で下 げることができ、繊維タウにマトリックスが浸入することを補助すると良い。 前記で説明したような、複合材料金属マトリックスワイヤは、数多くの用途に おいて有用である。このワイヤは、低重量であること、高強度であること、電導 性が良いこと、熱膨張係数が低いこと、高温で使用可能なこと、及び耐腐食性が 良いことなどの特徴が組み合わさって、頭上高圧送電線のケーブルに使用するこ とが特に望ましいと信じられる。上述のように、頭上高電圧送電に対して複合材 料金属マトリックスが競合性があるということは、送電システム全体にケーブル の能力が重要な影響を与えるということである。単位長当たり重量が少ないケー ブルは、さらに電導率が高く、熱膨脹率が低いので、ケーブルのスパン間隔をさ らに拡げられるし、及び／あるいは、送電塔の高さを低くできる。その結果、与 えられた電力輸送システムに対して、送電塔を建設するコストは、相当に減少す る。 さらに、送電線の電気的性質が向上すると、電力輸送システムの電気ロスが少 なくなる。その結果、電力ロスを補償する付加的な発電設備の必要性を減じるこ とができる。 上述のように、本発明による複合材料金属マトリックスワイヤは、特に、頭上 高圧送電ケーブルに対する使用に好適であると信じられる。一つの実施例として 、頭上高圧送電ケーブルに、少なくとも一本の複合材料金属マトリックスワイヤ により構成される電導性のコアーを含ませることがある。そのコアーは、複数の アルミニウムあるいはアルミニウム合金ワイヤにより形成された少なくとも一本 の電導性のジャケット（被覆）により取り巻かれている。例えば、図２に示すよ うに、一本の頭上高圧送電アルミニウム合金ワイヤ３８ケーブル３０の断面図に は、１９本の複合材料金属マトリックスワイヤ３４のコアー３２があり、そのコ アー３２は、３０本のアルミニウムあるいはアルミニウム合金ワイヤ３８のジャ ケット３６により取り囲まれている。同様に、図２ｂは、種々の選択肢の内の一 つで、別の頭上高圧送電ケーブルの断面図３０'には、３７本の複合材料金属マ トリックスワイヤ３４'のコアー３２'があり、そのコアー３２'は、２１本のア ルミニウムあるいはアルミニウム合金ワイヤ３８'のジャケット３６'により取り 囲まれている。 ケーブル内の複合材料金属マトリックスワイヤの重量％は送電線の設計に依存 する。そのケーブルにおいて、電導性のジャケットに使用されるアルミニウムあ るいはアルミニウム合金ワイヤは、１３５０Ａｌあるいは６２０１Ａｌを含むが それに限定されない頭上高圧送電の技術分野で既知の種々の材料である。 別の実施例として、頭上高圧送電ケーブルが、全部、複数の連続繊維アルミニ ウムマトリックス複合材料ワイヤ（ＣＦ−ＡＭＣｓ）で製造される。以下に議論 するように、その構造は、ケーブルの重 量に対する強度比および熱膨脹率のニーズが、電気抵抗による電力ロスを最小に するニーズを上回る時に、ケーブルスパンを長くするために好適である。 数多くの要因に関係するが、頭上高電圧送電ケーブルのたわみ量は、スパン長 さの自乗に比例し、ケーブルの抗張力に逆比例する。図３には、送電産業で普通 に使用されるケーブルの重量に対する強度比を示し、ＣＦ−ＡＭＣｓ材料は、か なり改善していることが判る。ＣＦ−ＡＭＣｓ材料及びケーブルの強度、電導性 、密度は、複合材料中の繊維体積に依存することに注目すべきである。図３，４ ａ、４ｂ、５、では、繊維体積５０％が想定され、それに対応する密度は、約３ ．２ｇｍ／ｃｍ³（約０．１１５ｌｂ／ｉｎ³）、抗張力は、１．３８ＧＰａ（２ ００ｋｓｉ）、及び、電導率は、３０％ＩＡＣＳである。 ＣＦ−ＡＭＣワイヤを含むケーブルの強度が増加した結果、ケーブルのたわみ は、非常に減少する。通常使用される鋼のストランド（鋼索の子縄）（ＡＣＳＲ ）（２６本のアルミニウムワイヤジャケットに囲まれた７本の鋼線のコアーを有 する３１重量％鋼）、及び、同等の全部がアルミニウム合金の導電線（ＡＡＡＣ ）のたわみと、ＣＦ−ＡＭＣケーブルのたわみを、スパンの長さの関数として、 比較した結果を、図４ａ、４ｂに示す。すべてのケーブルは、同等の導電率と直 径を持つ。図４ａによれば、ＣＦ−ＡＭＣケーブルは、約５５０ｍ（約１８００ ｆｔ）のスパンの場合、ＡＣＳＲに比較して、送電塔の高さを４０％減少する。 同様に、ＣＦ−ＡＭＣケーブルは、許容たわみが１５ｍ（約５０ｆｔ）と仮定す ると、スパンの長さは約２５％増加できる。スパンが長くなることで、ＣＦ−Ａ ＭＣ利用の更なる利点を、図４ｂに示す。図４ｂで、ＡＣＳＲケーブルは、１６ 本のアルミニウムワイヤジャケットで囲まれた１９本の 鋼線のコアーを有する７２重量％の鋼であった。 最高操作温度での高電圧送電（ＨＶＰＴ）ケーブルのたわみは、また、その最 高操作温度におけるケーブルの熱膨張係数（ＣＴＥ）に依存する。ケーブルの最 終的な熱膨脹率（ＣＴＥ）は、強化コアーおよび周囲のストランドの熱膨脹率（ ＣＴＥ）および弾性率により定まる。許容範囲内で、低い熱膨張率、高い弾性率 を有する材料が望ましい。ＣＦ−ＡＭＣケーブルの熱膨張率は、図５に、温度の 関数として示されている。参考値として、アルミニウムと鋼のデータも同様に示 されている。 本発明は、複合材料金属マトリックス技術を使用するワイヤおよび高電圧送電 ＨＶＰＴ）ケーブルに限定されることを意図したものではなく、むしろ、本申請 書に記載した特定の発明の複合材料および数多くの付加的な適用を含むことが注 目される。こうして、本申請書に記載した複合材料金属マトリックス材料は、高 強度、低密度材料が求められるフライホイールロータ、高機能の宇宙船の部品、 送電、あるいは他の適用などを含むが、それに限定されない広い分野で適用する ことができる。 さらに、好ましい実施例は、最近、ミネソタ鉱山産業会社、Ｓｔ．Ｐａｕｌ、 ＭＮ、により、商標名ＮＥＸＴＥＬ^TM６１０として市販される米国特許４，９５ ４，４６２号（前に組み入れ）記載の多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維を利用するが、本 発明はこれらの特定の繊維に限定されることを意図するものではない。むしろ、 如何なる多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維も、同様に、本発明に含まれることが意図され ている。しかし、好ましくは、いかなるこの様な繊維も抗張力が、少なくとも、 ＮＥＸＴＥＬ^TM６１０繊維の抗張力の程度（約２．８ＧＰａ）であることが望ま しい。 本発明の実施において、マトリックスが、約２０〜７６０℃の温 度範囲にわたり、繊維に対して化学的に不活性でなければならない。温度範囲と は、前記の複合材料の製造プロセス温度範囲および使用中の温度範囲という意味 である。この要求は、複合材料全体の性質を劣化するマトリックスと繊維間の化 学反応を最小にする。元素アルミニウムと約２％以下の銅の合金からなるマトリ ックス材料では、鋳込みのままの合金の抗張力は、約４１．４〜５５．２ＭＰａ （６-８ｋｓｉ）である。この金属合金の強度を上げるために、種々の処理方法 が使用される。好ましい一つの実施例として、金属繊維と結合したならば、その 合金は、約５２０℃に、約１６時間加熱し、約６０〜１００℃の温度に保持され た水の中に焼き入れる。次いでその複合材料は、炉に挿入され、約１９０℃に維 持される。そして、マトリックスの希望温度が達成されるまで（普通０〜１０日 ）、その温度に保持する。そのマトリックスは、５日間、約１９０℃の温度に保 持された時に、約６８．９〜８９．６ＭＰａ（１０-１３ｋｓｉ）の最高降伏強 さに到達することが発見された。これに反して、特別に熱処理されない純粋のア ルミニウムは、鋳込みのままの状態で、約６．９〜１３．８ＭＰａ（1-2ｋｓｉ ）の降伏強さを有する。 実施例 本発明の目的と利点は、さらに、次の例で説明されるが、しかし、これらの例 で述べられた特定の材料および量、および、他の条件および詳細は、不当に本発 明を限定するものと解釈されないものとする。すべての割合およびパーセントは 、特に指示がない限り、重量で示されている。 試験方法 繊維の強度は、引張試験装置（Canton,MAのInstron社からInstron 4201試験装 置として市販されている）を使用して測定された。この試験方法は、ＡＳＴＭ Ｄ3393-75（高弾性率の単フィラメ ント材料に対する抗張力及びヤング率の標準測定方法）に記載されている。試料 のゲージ長さは、２５．４ｃｍ（１インチ）、で変形（歪み）速度は、０．０２ ｍｍ／ｍｍ／ｍｉｎ．である。 繊維タウの抗張力を求めるために、１０本の単一繊維フィラメントが、繊維の タウより、無作為に抽出された。各フィラメントは、その破壊負荷を決定するの に試験された。決定されるタウ中のフィラメントの平均強度を求めるのに、少な くとも１０本のフィラメントが試験された。個々のランダムに選択された繊維の 強度は、２．０６〜４．８２ＧＰａ（３００〜７００ｋｓｉ）の範囲であった。 個々のフィラメントの引張強度は、２．７６〜３．５８ＧＰａ（４００〜５２０ ｋｓｉ）の範囲であった。 繊維の直径は光学顕微鏡（Lawrence MAにあるDolan-Jenner Industries,Inc. から市販されているDolan-Jenner Measure-Riteビデオマイクロメータシステム 、モデルM25-0002）の付属装置を利用して、光学的に測定された。その装置は、 顕微鏡の載物台上に較正できるマイクロメータ（測微器）を有し、反射光で観察 できる。各フィラメントの破断応力は、単位面積当たりの負荷で計算された。繊 維の伸びは、負荷の変位曲線で決定され、その範囲は、約０．５５％から、約１ ．３％であった。本発明の実施上、平均の繊維強度は、２．７６ＧＰａ（４００ ｋｓｉ）（普通の１５％の標準偏差で）よりも大きかった。強化繊維の平均強度 が高くなればなるほど、複合材料の強度は高くなる。本発明によって製造した複 合材料は、少なくとも、１．３８ＧＰａ（２００ｋｓｉ）（１５％の標準偏差で ）の強度を有し、繊維の体積割合が約６０％の場合には、しばしば少なくとも、 １．７２ＧＰａ（２５０ｋｓｉ）（１５％の標準偏差で）の強度を有した。 引張試験 この複合材料の抗張力は、引張試験装置（Canton,MAのInstron社から市販され ているInstron 8562試験装置）を利用して測定された。 この試験は、おもに金属箔の引張試験に対して記載された通りに実施された。す なわち、ＡＳＴＭE345-93（金属箔の引張試験の標準試験方法）に記載してある 通りに実施された。 引張試験を実施するために、複合材料は15.24cm×7.62cm×0.13cm(6"×3"×0. 05")の板状試験片に加工された。ダイヤモンドソー（鋸）を利用して、この板状 試験片は、試験用に、７枚の切り取り試片｛15.24cm×0.95cm×0.13cm(6"×0.37 5"×0.05")｝に切断された。 平均長さ方向の強度（すなわち、試験方向に平行な繊維）は、純アルミニウム あるいは２％銅を含むアルミニウム合金両者のマトリックスを有する複合材料に 対しては、１．３８ＧＰａ（２００ｋｓｉ）であった。約６０％の繊維体積含有 量を有する複合材料に対しては、平均横方向（すなわち、試験方向に垂直な繊維 ）は、純アルミニウムを含む複合材料に対して、１３８ＭＰａ（２０ｋｓｉ）、 アルミニウムと２％銅の合金で作成された複合材料に対しては、２６２ＭＰａ（ ３８ｋｓｉ）であった。 種々の複合材料金属マトリックスの製造特定例を以下に示す。 実施例１-繊維強化金属複合材料の調製 ＮＥＸＴＥＬ^TM６１０セラミック繊維のアルミナ繊維タウを使用して、複合材 料が調製された。そのタウは、４２０本の繊維を含有している。繊維の断面は、 実質的に円形で、平均約１１〜１３マイクロメータの直径であった。繊維の平均 抗張力（前記方法で測定）は、２．７６〜３．５８ＧＰａ（４００〜５２０ｋｓ ｉ）の範囲であった。個々の繊維の強度は、２．０６〜４．８２ＧＰａ（３００ 〜７００ｋｓｉ）の範囲であった。 繊維は、「プレフォーム」に繊維を巻き付けて、金属浸出用に調製された。特 に、繊維は蒸留水で湿らされ、角型のドラム上に多層に巻き付けられた。この角 型のドラムは、周辺長が、約８６．４ｃｍ（３４インチ）あり、約０．２５ｃｍ （０．１０インチ）の厚さの希望のプレフォームになる。 巻かれた繊維は、ドラムから切断され、鋳型の空洞に積載され、最終的なプレ フォームの厚さに製造される。角型プレート状のグラファイトの鋳型が使用され た。約１３００グラムのアルミニウム金属（Belmont金属社、Brooklyn，NYから 市販されている９９．９９％品位のもの）を、鋳造槽に装入した。 繊維を含む鋳型が、加圧浸入鋳造装置内におかれた。この装置内で、鋳型は、 空気密閉型の槽あるいはルツボで、ガス抜きチャンバの底部にある。アルミニウ ム金属の小片が、鋳型の支持プレート上のチャンバに搭載された。小孔（直径約 ２．５４ｍｍ）が、その支持プレートに存在し、下の鋳型に溶けたアルミニウム を通過させる。チャンバが閉じられ、チャンバの圧を３ミリトールまで減圧し、 鋳型とチャンバ内の空気を排出した。アルミニウム金属は７２０℃に加熱され、 鋳型（繊維プレフォームが存在）は、少なくとも約６７０℃に加熱された。この 温度で、アルミニウムは、溶解したが、鋳型の上に存在するプレート上に残った 。鋳型を完全に充填するために、ヒータの電源を切り、チャンバを、８．９６Ｍ Ｐａ（１３００ｐｓｉ）の圧力でアルゴンで満たし加圧された。溶融アルミニウ ムは、直ちに、支持プレートの孔を通過し、鋳型に流れ込んだ。チャンバ内のア ルゴンを大気に放出する前に、温度は６００℃まで下げられた。チャンバが室温 まで下げられると、部品を鋳型から取り除いた。その結果、作成されたサンプル の寸法は、15.2cm×7.6cm× 0.13cm(6"×3"×0.05")である。角型複合材料のサンプル小片は、６０体積％繊 維を含む。体積比は流体置換のアルキメデスの原理を利用して測定され、２００ 倍の拡大率で、研磨断面の顕微鏡写真を調査した。 引張試験のために、サンプルは、小片に切り取られた。その小片は、さらに研 磨されなかった。前記の小片について、前記の方法で測定された抗張力は、長さ 方向で、１４００ＭＰａ（２０４ｋｓｉ）、横方向で、１４０ＭＰａ（２０．４ ｋｓｉ）であった。 実施例２-金属マトリックス複合材料ワイヤの調製 実施例２で使用された繊維と金属は、実施例１で使用された繊維と金属と同じ ものである。アルミナ繊維はプレフォームに加工されなかった。そのかわり、繊 維（多数のタウの形状で）は、溶融アルミニウムの金属浴に挿入され、次いで巻 き取りスプールに巻かれた。アルミニウムが、約24.1cm×31.3cm×31.8cm(9.5" ×12.5"×12.5")の寸法を有するアルミナルツボ（Beaver Falls，PAのVesuvius McDaniel社から市販されている）中で溶解された。溶融アルミニウムの温度は約 ７２０℃であった。９５％ニオビウムと５％モリブデンを含む合金が、約１２． ７ｃｍ(5")長さ×２．５ｃｍ(1")直径の寸法を有する円筒に加工された。その円 筒は、希望の振動数（約20.0〜20.4kHzの振動数）に同調（すなわち、円筒の長 さを変更して同調）することにより、超音波ホーンアクチュエータとして使用さ れた。アクチュエータの振幅は、０．００２ｃｍ(0.0008")より大きかった。そ のアクチュエータは、チタニウム音波ガイドに接続され、そのガイドは、順次、 超音波トランスデューサに接続された。繊維は、マトリックス材料で浸出され、 比較的均一な断面・直径のワイヤを生成する。このプロセスにより、製造された ワイヤは、約０．１３ｃｍ(0.05")の直径を有した。 繊維の体積パーセントは、断面の顕微鏡写真（拡大率２０倍）で測定され、約 ４０体積％であることが判明した。 ワイヤの抗張力は１．０３〜１．３１ＧＰａ（150-190ksi）。 室温での伸びは、約０．７〜０．８％。 伸びは、引張試験中に、伸び計で測定された。 実施例３-Ａｌ／Ｃｕ合金マトリックスを使用した金属マトリックス複合材料 。 この例は、実施例１に記載した方法と同じ方法で実施された。ただし、純アルミ ニウムを使用する代わりに、純アルミニウム中に重量で銅２％を含む合金が使用 された。この合金は、重量で、約０．００２％より少ない鉄を含有し、全不純物 の含有量は、重量で、０．０５％より少ない。この合金の降伏点は、４１．４〜 １０３．４ＭＰａ（6-15ksi）の範囲であった。その合金は次の手順で熱処理さ れた。 ５２０℃に１６時間保持した後、水焼き入れを行った。（水の温度は、６０〜 １００℃である）ついで、直ちに、１９０℃の炉に装入し、５日間、炉内に保持 した。 実施例１で示した手順で処理して、角型の試験片を作成し、引張試験に適した 切り取り小片を作成した。ただし、金属は７１０℃に加熱され、鋳型（内部に繊 維がある）は、６６０℃より高温に加熱された。 複合材料は体積で６０％の繊維を含んだ。長さ方向の強度は、１．３８〜１． ８６ＧＰａ（２００〜２７０ｋｓｉ）の範囲｛１０回の測定平均値は、１．５２ ＧＰａ（２２０ｋｓｉ）｝で、横方向の強度は、２３９〜３２８ＭＰａ（３５〜 ４８ｋｓｉ）の範囲｛１０回の測定平均値は、２６２ＭＰａ（３８ｋｓｉ）｝で あった。 同等物 本発明に対する種々の修正および変更は、本発明の範囲および精神から離れる ことはなしに、当業者に明らかになるであろう。本発明は、実施態様および本申 請書において説明された例により、不当に制限されることを意図したものではな く、および、その例および実施例が、以下により説明される請求項によってのみ 制限されることを意図した発明の範囲の例のみにより、提示されるものと理解さ れるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 モーテンセン，アンドレス アメリカ合衆国，ミネソタ 55133−3427, セントポール，ポスト オフィス ボック ス 33427 (72)発明者 ワーナー，ポール エス. アメリカ合衆国，ミネソタ 55133−3427, セントポール，ポスト オフィス ボック ス 33427 (72)発明者 デーブ，エルベ イー. アメリカ合衆国，ミネソタ 55133−3427, セントポール，ポスト オフィス ボック ス 33427 (72)発明者 アンダーソン，トレーシー エル. アメリカ合衆国，ミネソタ 55133−3427, セントポール，ポスト オフィス ボック ス 33427

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．繊維あるいはマトリックス中で脆性を高める材料相あるいは材料領域が本 質的に存在しない元素アルミニウムのマトリックス中に含有される、少なくとも 、約２．８ＧＰａの抗張力を有する多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃の少なくとも一本の繊維 を含む複合材料。 ２．約２％以下の銅と元素アルミニウムの合金を含み、繊維あるいはマトリッ クス中で脆性を高める材料相あるいは材料領域が本質的に存在しないことを特徴 とするマトリックス中に含有される、少なくとも、約２．８ＧＰａの抗張力を有 する多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃の少なくとも一本の繊維を含む複合材料。 ３．前記少なくとも一本の繊維が実質的に連続的である請求項１または２記載 の複合材料。 ４．約３０〜７０％の多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維を含む請求項１または２に記載 の複合材料。 ５．約４０〜６０％の多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維を含む請求項１または２に記載 の複合材料。 ６．前記元素アルミニウムマトリックスが、約０．０３％より少ない鉄を含有 する請求項１または２に記載の複合材料。 ７．前記元素アルミニウムマトリックスが、約０．０１％より少ない鉄を含有 する請求項１あるいは２に記載の複合材料。 ８．前記マトリックスが、約９０ＭＰａより少ない降伏強さを有する請求項２ 記載の複合材料。 ９．実質的に純元素アルミニウムおよび約２％以下の銅を含む元素アルミニウ ムの合金から構成されるグループから選択されるマトリックス中に、複数の、実 質的に、連続的な多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維を含むワイヤ。 １０．前記少なくとも一本の繊維が実質的に連続的である請求項 ９記載のワイヤ。 １１．実質的に純粋の元素アルミニウムおよび約２％以下の銅を含む元素アル ミニウム合金から構成されるグループから選択されたマトリックス中に実質的に 連続の複数の多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃である繊維をその各々が含む、複数のアルミニ ウムマトリックス複合材料ワイヤを含む頭上高電圧送電ケーブル。 １２．複数の電導性アルミニウムあるいはアルミニウム合金ワイヤを含む少な くとも１の電導性ジャケットをさらに含む請求項１１に記載の頭上高電圧送電ケ ーブル。 １３．前記アルミニウムマトリックス複合材料ワイヤが約３０〜７０％の多結 晶α-Ａｌ２Ｏ３繊維を含む請求項９または１１に記載の物品。 １４．前記アルミニウムマトリックス複合材料ワイヤが、約４０〜６０％の多 結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維を含む請求項９または１１に記載の物品。 １５．前記アルミニウムマトリックス複合材料ワイヤのマトリックスが、約０ ．０３％より少ない鉄を含有する請求項９または１１に記載の物品。 １６．前記アルミニウムマトリックス複合材料ワイヤのマトリックスが、約２ ０ＭＰａより少ない降伏強さを有する、実質的に純粋の元素アルミニウムを含む 請求項９または１１に記載の物品。 １７．前記アルミニウムマトリックス複合材料ワイヤのマトリックスが、銅２ ％以下を含む元素アルミニウム合金を含み、および、さらに約９０ＭＰａより少 ない降伏強さを有するマトリックスである請求項９または１１に記載の物品。 １８．前記多結晶α-Ａｌ₂Ｏ₃繊維が、少なくとも約２．８ＧＰａの長さ方向 の抗張力を有することを記載の請求項９または１１に 記載の物品。 １９．電導性ジャケットの前記電導性アルミニウムワイヤが、１３５０Ａｌお よび６２０１Ａｌからなるグループから選択された材料を含む請求項１２に記載 の物品。