多孔質アルミニウム複合材及びその製造方法
【課題】アルミニウム合金溶湯に発泡剤を添加する従来の発泡アルミニウムの製造方法における発生した気泡同士が凝集し、粗大な気泡が形成され、部材の強度低下を招く課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは粗大な気泡を含むことの無い、気孔径の制御された発泡アルミニウム材を提供することにある。
【解決手段】
本発明は、気孔径が500μm以下、かつ閉気孔の空隙率が４０〜８０％であって、圧縮エネルギー吸収量が１ＭＪ/m3以上であることを特徴とする多孔質アルミニウム複合材を提供する。
【解決手段】
本発明は、気孔径が500μm以下、かつ閉気孔の空隙率が４０〜８０％であって、圧縮エネルギー吸収量が１ＭＪ/m3以上であることを特徴とする多孔質アルミニウム複合材を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質アルミニウム複合材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔質アルミニウム複合材は、軽量で断熱性や遮音性など優れた機能を有する材料であって、中でも圧縮荷重が作用したときに一定の応力下で変形が進行する、いわゆるプラトー現象を持つことから、例えば自動車の車体へ応用すれば、衝突時の衝撃エネルギーを効率よく吸収することができ、衝撃吸収部材として好適なものとなる。
【０００３】
このような多孔質アルミニウム複合材の製法としては溶融アルミニウムに発泡剤を添加して発泡させる方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。
【特許文献１】特開２００５−３４４１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような発泡剤を添加する方法においては、発泡アルミニウム材の気孔径を制御することが困難である。また、発泡剤の添加量や条件によっては、発生した気泡同士が凝集し、粗大な気泡が形成され、部材の強度低下を招く場合もある。本発明は、アルミニウム合金溶湯に発泡剤を添加する従来の発泡アルミニウムの製造方法における上記のような課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは粗大な気泡を含むことが無く、気孔径が制御され、空隙率が大きい割には、圧縮エネルギー量の大きな多孔質アルミニウム複合材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、中空セラミックスを強化材として用い、マルミニウム合金をマトリックスとして用いた複合材料とすることで、気孔径を制御したアルミニウム複合材が作製でき、上記課題を解決できることを見出した。すなわち本発明は、気孔径が500μm以下、かつ閉気孔の空隙率が４０〜８０％であって、圧縮エネルギー吸収量が１ＭＪ/m3以上であることを特徴とする多孔質アルミニウム複合材（請求項１）であり、強化材が粒径が３〜500μmの中空セラミックスであり、マトリックスがアルミニウム又はその合金であり、該強化材に前記アルミニウム合金を加圧浸透させて作製することを特徴とする請求項１記載の多孔質アルミニウム複合材の製造方法（請求項２）である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、多孔質アルミニウム複合材において、強化材として中空セラミックスを用いることにより多孔質アルミニウム複合材の気孔径が制御でき、粗大気泡などの問題が無く、閉気孔の空隙率が８０％となっても、空隙が均一に分布し、エネルギー吸収量が１ＭＪ/m3以上であり、測定値のばらつきがすくない多孔質アルミニウム複合材を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の多孔質アルミニウム複合材の製造方法を述べると、先ず中空セラミックス粉末と、金属としてアルミニウム若しくはアルミニウム合金を用意する。アルミニウム合金としては、純アルミニウムや鋳造用のＪＩＳ合金(ＪＩＳ ＡＣ８Ａなど)が挙げられるが、本発明は特にこれらに限定されるものではない。次に、用意した中空セラミックス粉末で４０〜８０体積％の充填率を有するプリフォームを形成する。プリフォームの形成方法としては、中空セラミックス粉末に有機バインダーを添加し、プレスにより形成する方法や、中空セラミックス粉末に水などの溶媒を加え、フィルタープレスにより形成する方法などが挙げられる。有機バインダーとしては慣用の物が用いられ、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、アクリル樹脂などが挙げられる。
【０００８】
次いで、得られたプリフォームを大気中、７００〜８００℃の温度で加熱し、溶湯加圧装置内に入れる。有機バインダーが少量（５％程度）のときは、この過程で燃焼する。プリフォームの形成に多量の有機バインダーを用いた場合は、これに先立って脱脂のための加熱工程を入れても差し支えない。脱脂のための加熱工程はプリフォームに亀裂が発生せず、バインダーが除去できる条件であれば良く、例えば１０℃/hrで昇温し、加熱温度も５００℃以上であれば十分である。また予め用意しておいた７５０〜９００℃の溶融アルミニウム合金を溶湯加圧装置内に入れ高圧鋳造法を実行する。すなわち、１０MPa〜１００MPaの圧力でプレス機によって加圧、溶融アルミニウム系材料をプリフォームに浸透、複合化させる。その後、余分なアルミニウム系材料の部分を加工により除去し、所望の多孔質アルミニウム複合材を得る。
【０００９】
このように多孔質アルミニウム材を複合化により作製することにより、発泡剤の添加による作製方法と異なり、気泡同士の凝集による粗大気泡の生成を防止することが可能となる。また、強度の面でも粗大気泡による強度低下が無く安定した物性のものが得られやすい。
【００１０】
中空セラミックス粉末は、吸水率が、１％以下であり、圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ2以上、融点１０００℃以上のものが望ましい。吸水率が１％を超えると加圧で溶融アルミニウムを浸透する際、中空セラミックス粉末内にまで浸透する場合があるため好ましくない。また、圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ2以下では加圧で溶融アルミニウムを浸透する際、中空セラミックス粉末が圧壊する場合があるため好ましくない。また、融点１０００℃以下では加圧で溶融アルミニウムを浸透する際、中空セラミックス粉末が溶融する場合があるため好ましくない。中空セラミックス粉末（太平洋セメント製、E-SPHERES）を好適に用いることができる。これは、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３を主成分とする中空セラミックス粉末であり、吸水率は１％以下、圧縮強度は７０Ｎ／ｍｍ2以上、融点は１６００℃である。
【００１１】
その中空セラミックス粉末の複合材料中の含有率は、４０〜８０体積％が好適である。ＳｉＣ粉末含有率が４０体積％より低いと発泡アルミニウム材の気孔率が低く軽量化効果が得られにくく、８０体積％より高いと製造が困難となる。中空セラミックス粉末を埋める連続層であるマトリックス部分の比率が小さくなり、連続層が得られなくなる恐れがある。
【００１２】
以上の方法で多孔質アルミニウム複合材を作製すれば、軽量であって、かつ粗大な気泡の発生の無い、圧縮エネルギー吸収量の揃った多孔質アルミニウム複合材を作製することができるようになる。プリフォームに減圧法により、アルミニウム又はアルミニウム合金を浸透分散させる方法では、粒子間隙にアルミニウムが行き渡らない部分が出来やすく、マトリックス部分が連続とならず、圧縮強度が十分でないか、そのばらつきが大きく高空隙率（例えば、７０％以上のもの）が得られない。また、高空隙率のものは、圧縮エネルギー吸収量の小さく、そのばらつきも大きなものであった。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
（１）市販の中空セラミックス粉末（太平洋セメント製、E-SPHERES）１００重量部に、有機バインダーとしてＰＶＢ５重量部とコロイダルシリカ５重量部を添加し、これをプレスして２００×２００×２０ｍｍで５０体積％の充填率を有するプリフォームを形成した。得られたプリフォームを大気中、７００〜８００℃の温度で加熱した後、溶湯加圧装置内に入れる。また予め用意しておいた７５０〜９００℃の溶融アルミニウム合金を溶湯加圧装置内に入れ高圧鋳造法を実行した。すなわち、加圧条件は、１０MPa〜１００MPaの圧力でプレス機によって加圧、溶融アルミニウム合金組成（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ）をプリフォームに浸透させ、複合化させる。これを冷却して、複合材料を作製した。その後、余分なアルミニウム系材料の部分を加工により除去し、所望の多孔質アルミニウム複合材を得た。
【００１４】
（２） 得られた複合材料の破面を観察したところ、中空セラミックス粉末の最大粒子径(約400μm)以上の気泡は見られず、気孔径の揃った多孔質アルミニウム複合材が得られた。空隙率を測定したところ、閉気孔で５０％であり、圧縮エネルギー吸収量は１．２ＭＪ/m3、そのばらつきは、±１７％であった。閉気孔の空隙率測定は、JIS
R1634によった。圧縮エネルギー吸収量の測定は、試験片（50×50×50mm）に圧縮力を印加し、試験片にかかる荷重と変位の関係を測定し、応力-ひずみ曲線を得た。当曲線の下部の面積が、試験片の圧縮に要したエネルギー、つまり圧縮エネルギー吸収量となる。また、衝撃圧潰き裂進展試験によって圧縮エネルギー吸収量を測定してもよい。ゴムチューブ等の復元力を利用した衝撃子に２０km/h程度の速度を与え、これを剛体壁に固定された試験片に衝突させ、その時の吸収エネルギー量を、速度センサーによる衝突前後の速度差から算出することもできる。ともに、測定回数は、１０回で、最大値と最小値の差である範囲を平均値で割って得られたばらつきが２０％程度であった。
【００１５】
比較のために比較例では、アルミニウム合金の溶湯中に炭酸マグネシウムと炭酸カルシウムの混合物を添加し、発泡させて発泡アルミニウム材を作製した。得られた材料の破面を観察したところ、気泡径が３ｍｍ以上の粗大な気泡が存在した。実施例と同様な評価をおこなった。空隙率を測定したところ、閉気孔で７０％であり、圧縮エネルギー吸収量は０．８ＭＪ/m3、そのばらつきは、３２％であった。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明は、衝撃吸収材として用いることができる多孔質アルミニウム複合材を提供する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質アルミニウム複合材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔質アルミニウム複合材は、軽量で断熱性や遮音性など優れた機能を有する材料であって、中でも圧縮荷重が作用したときに一定の応力下で変形が進行する、いわゆるプラトー現象を持つことから、例えば自動車の車体へ応用すれば、衝突時の衝撃エネルギーを効率よく吸収することができ、衝撃吸収部材として好適なものとなる。
【０００３】
このような多孔質アルミニウム複合材の製法としては溶融アルミニウムに発泡剤を添加して発泡させる方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。
【特許文献１】特開２００５−３４４１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような発泡剤を添加する方法においては、発泡アルミニウム材の気孔径を制御することが困難である。また、発泡剤の添加量や条件によっては、発生した気泡同士が凝集し、粗大な気泡が形成され、部材の強度低下を招く場合もある。本発明は、アルミニウム合金溶湯に発泡剤を添加する従来の発泡アルミニウムの製造方法における上記のような課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは粗大な気泡を含むことが無く、気孔径が制御され、空隙率が大きい割には、圧縮エネルギー量の大きな多孔質アルミニウム複合材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、中空セラミックスを強化材として用い、マルミニウム合金をマトリックスとして用いた複合材料とすることで、気孔径を制御したアルミニウム複合材が作製でき、上記課題を解決できることを見出した。すなわち本発明は、気孔径が500μm以下、かつ閉気孔の空隙率が４０〜８０％であって、圧縮エネルギー吸収量が１ＭＪ/m3以上であることを特徴とする多孔質アルミニウム複合材（請求項１）であり、強化材が粒径が３〜500μmの中空セラミックスであり、マトリックスがアルミニウム又はその合金であり、該強化材に前記アルミニウム合金を加圧浸透させて作製することを特徴とする請求項１記載の多孔質アルミニウム複合材の製造方法（請求項２）である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、多孔質アルミニウム複合材において、強化材として中空セラミックスを用いることにより多孔質アルミニウム複合材の気孔径が制御でき、粗大気泡などの問題が無く、閉気孔の空隙率が８０％となっても、空隙が均一に分布し、エネルギー吸収量が１ＭＪ/m3以上であり、測定値のばらつきがすくない多孔質アルミニウム複合材を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の多孔質アルミニウム複合材の製造方法を述べると、先ず中空セラミックス粉末と、金属としてアルミニウム若しくはアルミニウム合金を用意する。アルミニウム合金としては、純アルミニウムや鋳造用のＪＩＳ合金(ＪＩＳ ＡＣ８Ａなど)が挙げられるが、本発明は特にこれらに限定されるものではない。次に、用意した中空セラミックス粉末で４０〜８０体積％の充填率を有するプリフォームを形成する。プリフォームの形成方法としては、中空セラミックス粉末に有機バインダーを添加し、プレスにより形成する方法や、中空セラミックス粉末に水などの溶媒を加え、フィルタープレスにより形成する方法などが挙げられる。有機バインダーとしては慣用の物が用いられ、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、アクリル樹脂などが挙げられる。
【０００８】
次いで、得られたプリフォームを大気中、７００〜８００℃の温度で加熱し、溶湯加圧装置内に入れる。有機バインダーが少量（５％程度）のときは、この過程で燃焼する。プリフォームの形成に多量の有機バインダーを用いた場合は、これに先立って脱脂のための加熱工程を入れても差し支えない。脱脂のための加熱工程はプリフォームに亀裂が発生せず、バインダーが除去できる条件であれば良く、例えば１０℃/hrで昇温し、加熱温度も５００℃以上であれば十分である。また予め用意しておいた７５０〜９００℃の溶融アルミニウム合金を溶湯加圧装置内に入れ高圧鋳造法を実行する。すなわち、１０MPa〜１００MPaの圧力でプレス機によって加圧、溶融アルミニウム系材料をプリフォームに浸透、複合化させる。その後、余分なアルミニウム系材料の部分を加工により除去し、所望の多孔質アルミニウム複合材を得る。
【０００９】
このように多孔質アルミニウム材を複合化により作製することにより、発泡剤の添加による作製方法と異なり、気泡同士の凝集による粗大気泡の生成を防止することが可能となる。また、強度の面でも粗大気泡による強度低下が無く安定した物性のものが得られやすい。
【００１０】
中空セラミックス粉末は、吸水率が、１％以下であり、圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ2以上、融点１０００℃以上のものが望ましい。吸水率が１％を超えると加圧で溶融アルミニウムを浸透する際、中空セラミックス粉末内にまで浸透する場合があるため好ましくない。また、圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ2以下では加圧で溶融アルミニウムを浸透する際、中空セラミックス粉末が圧壊する場合があるため好ましくない。また、融点１０００℃以下では加圧で溶融アルミニウムを浸透する際、中空セラミックス粉末が溶融する場合があるため好ましくない。中空セラミックス粉末（太平洋セメント製、E-SPHERES）を好適に用いることができる。これは、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３を主成分とする中空セラミックス粉末であり、吸水率は１％以下、圧縮強度は７０Ｎ／ｍｍ2以上、融点は１６００℃である。
【００１１】
その中空セラミックス粉末の複合材料中の含有率は、４０〜８０体積％が好適である。ＳｉＣ粉末含有率が４０体積％より低いと発泡アルミニウム材の気孔率が低く軽量化効果が得られにくく、８０体積％より高いと製造が困難となる。中空セラミックス粉末を埋める連続層であるマトリックス部分の比率が小さくなり、連続層が得られなくなる恐れがある。
【００１２】
以上の方法で多孔質アルミニウム複合材を作製すれば、軽量であって、かつ粗大な気泡の発生の無い、圧縮エネルギー吸収量の揃った多孔質アルミニウム複合材を作製することができるようになる。プリフォームに減圧法により、アルミニウム又はアルミニウム合金を浸透分散させる方法では、粒子間隙にアルミニウムが行き渡らない部分が出来やすく、マトリックス部分が連続とならず、圧縮強度が十分でないか、そのばらつきが大きく高空隙率（例えば、７０％以上のもの）が得られない。また、高空隙率のものは、圧縮エネルギー吸収量の小さく、そのばらつきも大きなものであった。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
（１）市販の中空セラミックス粉末（太平洋セメント製、E-SPHERES）１００重量部に、有機バインダーとしてＰＶＢ５重量部とコロイダルシリカ５重量部を添加し、これをプレスして２００×２００×２０ｍｍで５０体積％の充填率を有するプリフォームを形成した。得られたプリフォームを大気中、７００〜８００℃の温度で加熱した後、溶湯加圧装置内に入れる。また予め用意しておいた７５０〜９００℃の溶融アルミニウム合金を溶湯加圧装置内に入れ高圧鋳造法を実行した。すなわち、加圧条件は、１０MPa〜１００MPaの圧力でプレス機によって加圧、溶融アルミニウム合金組成（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ）をプリフォームに浸透させ、複合化させる。これを冷却して、複合材料を作製した。その後、余分なアルミニウム系材料の部分を加工により除去し、所望の多孔質アルミニウム複合材を得た。
【００１４】
（２） 得られた複合材料の破面を観察したところ、中空セラミックス粉末の最大粒子径(約400μm)以上の気泡は見られず、気孔径の揃った多孔質アルミニウム複合材が得られた。空隙率を測定したところ、閉気孔で５０％であり、圧縮エネルギー吸収量は１．２ＭＪ/m3、そのばらつきは、±１７％であった。閉気孔の空隙率測定は、JIS
R1634によった。圧縮エネルギー吸収量の測定は、試験片（50×50×50mm）に圧縮力を印加し、試験片にかかる荷重と変位の関係を測定し、応力-ひずみ曲線を得た。当曲線の下部の面積が、試験片の圧縮に要したエネルギー、つまり圧縮エネルギー吸収量となる。また、衝撃圧潰き裂進展試験によって圧縮エネルギー吸収量を測定してもよい。ゴムチューブ等の復元力を利用した衝撃子に２０km/h程度の速度を与え、これを剛体壁に固定された試験片に衝突させ、その時の吸収エネルギー量を、速度センサーによる衝突前後の速度差から算出することもできる。ともに、測定回数は、１０回で、最大値と最小値の差である範囲を平均値で割って得られたばらつきが２０％程度であった。
【００１５】
比較のために比較例では、アルミニウム合金の溶湯中に炭酸マグネシウムと炭酸カルシウムの混合物を添加し、発泡させて発泡アルミニウム材を作製した。得られた材料の破面を観察したところ、気泡径が３ｍｍ以上の粗大な気泡が存在した。実施例と同様な評価をおこなった。空隙率を測定したところ、閉気孔で７０％であり、圧縮エネルギー吸収量は０．８ＭＪ/m3、そのばらつきは、３２％であった。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明は、衝撃吸収材として用いることができる多孔質アルミニウム複合材を提供する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気孔径が500μm以下、かつ閉気孔の空隙率が４０〜８０％であって、圧縮エネルギー吸収量が１ＭＪ/m3以上であることを特徴とする多孔質アルミニウム複合材。
【請求項２】
強化材が粒径３〜500μmの中空セラミックスであり、マトリックスがアルミニウム合金であり、該強化材にアルミニウム合金を加圧浸透させて作製することを特徴とする請求項１記載の多孔質アルミニウム複合材の製造方法。
【請求項１】
気孔径が500μm以下、かつ閉気孔の空隙率が４０〜８０％であって、圧縮エネルギー吸収量が１ＭＪ/m3以上であることを特徴とする多孔質アルミニウム複合材。
【請求項２】
強化材が粒径３〜500μmの中空セラミックスであり、マトリックスがアルミニウム合金であり、該強化材にアルミニウム合金を加圧浸透させて作製することを特徴とする請求項１記載の多孔質アルミニウム複合材の製造方法。
【公開番号】特開２００７−２３８９７１（Ｐ２００７−２３８９７１Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５９５３０（Ｐ２００６−５９５３０）
【出願日】平成１８年３月６日（２００６．３．６）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月６日（２００６．３．６）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
[ Back to top ]