改良された複合材料及び該複合材料の製造方法
プレフォームのチャネル内にセラミック粉末を挿入してセラミック粉末が充填されたプレフォームを形成することにより複合材料が形成される。セラミック粉末は、１種以上の反応性セラミック粉末を有する。プレフォームは、セラミック、セラミック金属複合材料、金属又はこれらの組合せであって、複数のチャネルを規定する壁を有しており、各チャネルは、該プレフォームの表面に開口を有する。セラミック粉末を充填したプレフォームに溶融金属を浸透させて、反応性セラミックと溶融浸透金属の反応生成物であるセラミック相を少なくとも１つ有するセラミック金属体を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００６年７月１４日に出願した米国仮出願第６０／８３１，０３８号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一体式（monolithic）セラミック、金属、セラミック金属複合材料又はこれらの組合せの内部におけるセラミック金属複合材料のマクロ複合材料の形成に関する。
【背景技術】
【０００３】
過去数十年間に渡り、同一の材料においてセラミックの利点（例えば、剛性と耐熱性）と金属の利点（例えば、靭性及び成形性）を有しながら、同時に、それぞれの弱点を最小限にとどめた材料を作製するために数多くのセラミック金属複合材料が開発されてきた。例えば、種々の幾何学的形状（例えば、ホイスカー）のセラミック微粒子とセラミックファイバーで金属が補強されたセラミック金属複合材料が作製されている。典型的には、このようなセラミック金属複合材料は、金属とセラミックの粉末を共焼結し、溶融金属を多孔質セラミックプレフォーム内へ浸透させるか又はセラミック粒子を溶融金属内に導入して、次いでこれをキャスティングすることにより形成される。
【０００４】
セラミックと金属箔の積層物も、コンデンサーの例では非常に良く用いられている。金属へセラミックをコーティングするか又は金属をセラミックで封入することにより酸化を防ぐ技術が開発されており、例えば、ホウロウ調理器具などが挙げられる。ブレーキローターの作製について、金属へのセラミック及びセラミック金属複合材料の単一層積層物又はコーティングが記載されている。同様に、多くの金属にタングステンカーバイド・コバルトを蝋付け又は溶接して、カーバイドチップ付きののこ刃やドリルビットといった切削工具が作製されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のいずれも金属又はセラミック一体式部品と組み合わされたセラミック微粒子系セラミック金属複合材料の特性を引き出したものではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、セラミック金属体を製造する方法であって、次の工程ａ）およびｂ）を含む。
ａ）プレフォームのチャネル内にセラミック粉末を挿入してセラミック粉末が充填されたプレフォームを形成する工程。ただし、プレフォームは、（ｉ）セラミック、セラミック金属複合材料、金属又はこれらの組み合わせであり、そして（ｉｉ）複数のチャネルを規定する壁を有し、各チャネルはプレフォームの表面に開口を有し、セラミック粉末は反応性のセラミック粉末から構成され、セラミック粉末の最大粒径がチャネルの最小チャネル径よりも小さい。
ｂ）セラミック粉末が充填されたプレフォームに溶融金属を浸透させてセラミック金属体を形成する工程。
【０００７】
このような方法を用いることにより、セラミック、金属、セラミック金属又はこれらの組み合わせであるマトリックスから構成されるセラミック金属体であって、マトリックスがマトリックス中のチャネルを規定する壁を有し、マトリックスの１つ以上のチャネル内にマトリックスの壁とは異なる微小構造、化学特性又はこれらの組合せを有するチャネルセラミック金属複合材料が存在し、そしてチャネルセラミック金属複合材料がチャネル金属とチャネルセラミック相で構成され、チャネルセラミック相は反応性セラミック並びにチャネル金属と反応性セラミックとのセラミック反応生成物から構成される、セラミック金属体の作製が可能になる。
【０００８】
セラミック金属体は、金属、セラミック又はセラミック金属複合材料が使用されるあらゆる用途、例えば、以下に限定されないが、車両用構造部材、ブレーキ部材、サスペンション部材、エンジン部材、包装材料、スポーツ用品、車輪、ケーブル、ワイヤー、板、ギア、シール、シャフト、ツールなどに使用できる。セラミック金属体を異なる材質からなる別の構造体と連結させて、別の部材を作り出すこともできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明のセラミック金属体の作製に有用であり、ハニカム形状を有するプレフォームのチャネルを上から見た図である。
【図２】図２は、図１に示すプレフォームの切断側面図である。
【図３】図３は、本発明のセラミック金属体の作製に有用な別のプレフォームのチャネルを上から見た図である。
【図４】図４は、図３に示すプレフォームの切断側面図である。
【図５】図５は、プレフォームのチャネル内にセラミック粉末を挿入した後の図１及び２に示すプレフォームの切断側面図である。
【図６】図６は、図５に示す粉末が充填されたチャネルの一部の拡大断面図である。
【図７】図７は、本発明のセラミック金属体を作製するためにセラミック粉末が充填された別のプレフォームのチャネルであり、種々のセラミック粉末がチャネルに充填された様子の断面である。
【図８】図８は、本発明のセラミック金属体の切断図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
セラミック金属体の形成
図面を参照するに、プレフォーム１０は、セラミック、金属、セラミック金属複合材料又はこれらの組合せであってもよい。例えば、外壁２０が金属であってもよく、内壁３０がセラミック若しくはセラミック金属複合材料であってもよく、又はこの反対であってもよい。加えて、内壁３０のいくつかはセラミックであってもよく、残りの内壁３０は、金属及び／若しくはセラミック金属複合材料、適切な組み合わせであってもよい。内壁３０又は外壁２０のいずれか１つ又はすべては、例えば積層構造にある金属、セラミック又はセラミック金属複合材料の組合せであってもよく、例えば、図６に例示する外壁２０上のコーティング又はクラッド１３０のようなものであってもよい。このようなコーティング又はクラッド１３０が存在する場合、このコーティング又はクラッド１３０は、金属であることが好ましい。また、このようなコーティング又はクラッド１３０により、プレフォーム１０の壁２０及び３０へのチャネル金属１６０の湿潤及び／又は結合が促進又は増強されることが更に好ましい。チャネル４０は、チャネル４０に挿入されたプラグ５０又はプレフォーム１０の末端に付着されたバリアー６０によって一端が塞がれていてもよい。バリアーとプラグ５０は、壁２０及び３０について記載したいずれかの物質であってもよい。
【００１１】
壁２０及び３０は、多孔質又は本質的に密であってもよく、プレフォーム１０においていずれの組合せであってもよい。これは壁２０及び３０であり又は壁２０及び３０の一部は、開放気孔１１０及び／又は密閉気孔１２０を有していてもよく、又は本質的に密であってもよい。本明細書では、本質的に密とは、理論値の少なくとも９９％の密度を意味する。例示的には、前記壁は、通常の密度測定方法又はＵｎｄｅｒｗｏｏｄにより「Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｓｔｅｒｅｏｌｏｇｙ，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ，Ｒｅａｄｉｎｇ，ＭＡ（１９７０）」に記載される切断法を用いた、複合素材の研磨断面の走査型電子顕微鏡写真の定量的立体解析などの金属組織学的手法のようなよく知られた顕微鏡技術を用いて測定された、８５％の多孔度ないし検出されない程度の多孔度を有していてもよい。好ましくは、前記壁は、約７５％未満、より好ましくは約７０％未満、更により好ましくは約６５％未満から本質的な密までの多孔度、好ましくは約１％以下、より好ましくは約５％以下、更により好ましくは約１０％以下、そして最も好ましくは約２０％以下の多孔度を有する。
【００１２】
開放気孔１１０がプレフォーム１０に存在する場合、用途にもよるが、この気孔が、挿入されたセラミック粉末９０の少なくとも一部が前記開放気孔１１０に９４（浸透した挿入セラミック粉末）を浸透させることが可能なような径と形状を有していることが望ましい。同様に、用途によるが、挿入されたセラミック粉末が、本質的に開放気孔１１０に浸透できないことが望ましい場合もある（この文章において、「本質的にできない」とは標準的な顕微鏡写真技術において、浸透が開放気孔１１０の容積の１％未満に認められることを意味する）。好ましい態様では、壁２０及び３０のいずれかの開放気孔１１０の容積の５％以上が、浸透した挿入セラミック粉末９４によって占められる。好ましくは、開放気孔１１０の浸透される容積は、約１０％以上、より好ましくは約２０％以上、そして最も好ましくは約３０％以上ないし望ましくは壁２０及び／又は３０により規定されるチャネル４０に挿入されたセラミック粉末９０が占める容積と本質的に同一の容積の範囲となる。
【００１３】
繰り返しになるが、プレフォーム１０は、セラミック、金属、セラミック金属又はこれらの組合せであってもよい。好ましい態様では、プレフォーム１０は金属である。この金属とは、好ましくは、アルミニウム、鉄、銅、ニッケル、亜鉛、マグネシウム、チタン、タンタル、タングステン、ケイ素、前記金属のいずれかの合金又はこれらの組合せである。好ましくは、前記金属は、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、ケイ素若しくはこれら金属の１種類を主成分として含む金属又はこれらの組合せである。より好ましくは、前記金属は、鉄系金属、ニッケル又はこれらの合金、又は銅若しくはその合金である。最も好ましくは、前記金属は、鉄、鉄合金（例えばスチール）、又はニッケル若しくはニッケル合金の単体又は任意の組合せである。
【００１４】
別の好ましい態様では、プレフォーム１０はセラミックである。セラミックは、当該技術分野において知られる適切なものであればよく、特殊なセラミックはその所望の用途に依存するであろう。前記セラミックは、ファイバー、プレートレット、針状結晶粒、等方結晶粒又はこれらの組合せを含むいずれの微小構造を有していてもよい。好ましいセラミックとしては、例えば、ホウ化物、窒化物、カーバイド、酸化物又はこれらの混合物（例えば、オキシカーバイド、炭窒化物等）又はこれらの組合せが挙げられる。プレフォーム１０に有用なセラミックの具体例としては、ムライト、炭化ケイ素、炭化ホウ素、菫青石、窒化ケイ素、二ホウ化チタン、炭化タングステン、チタン酸アルミニウム、窒化アルミニウム、チタン酸ニオブ、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、六ホウ化ケイ素及びこれらの組合せが挙げられる。
【００１５】
壁２０及び３０は、セラミック金属体１４０の作製に有用ないずれの形状にあってもよい。例えば、図３及び４に示すように、壁２０及び３０は、例えば、詰め込まれて配置された各円柱間の接点が、チャネル４０を規定するような円柱形状にあってもよい。この態様では、円柱内部壁３０Ａは、チューブ又はパイプ状にあってもよい外壁２０内に配置されるファイバー、ワイヤー又はケーブルを用いて形成することができる。内壁３０Ｂは、押し出し形成又はここに挿入した平坦なシート又はリボンを用いたチューブの組み立てにより形成できる。
【００１６】
壁２０及び／又は３０は、セラミック粉末９０が挿入されたチャネル４０において、挿入されたセラミック粉末９０の最大粒度よりも大きな最小チャネル径７０を有するチャネル４０を形成する。最小チャネル径７０は、理論上最大の直径を有する球体をチャネル４０の一端に置いた場合に、詰まることなくチャネル４０の他端まで通過できることを意味する。例えば、図１に示す正方形のチャネル４０の最小チャネル径７０は、正方形の１辺の長さに等しく、この場合、チャネル４０は、チャネル長８０全体に沿って平行な状態で壁２０と３０を有するので、チャネル径７０は、最小チャネル径に等しい。
【００１７】
通常、セラミック粉末９０が挿入されたチャネルの最小チャネル径は、挿入されたセラミック粉末９０の最大粒度よりも２倍以上大きい。これにより、チャネル４０を塞いで、それ以上チャネル４０にセラミック粉末９０を充填できなくなるような橋渡しが形成される恐れが確実に低下する。好ましくは、最小チャネル径は、チャネル４０に挿入されるセラミック粉末９０の最大粒度よりも、５倍以上、より好ましくは７倍以上、そして最も好ましくは１０倍以上大きい。
【００１８】
プレフォーム１０の形成においては、適切なセラミック、セラミック金属複合材料又は金属の形成方法又は形成技術を用い、個々の部材を組み合わせて、これらに限定されないが、機械的結合（例えば、コンプレッションフィット）又は化学的結合（例えば、融合（fusing）、溶接、蝋付け又はこれらの組合せ）等の適切な結合により、組み合わせた部材を固定してもよい。プレフォーム１０の形成方法の例としては、チャネルの穴を開ける方法、金型を通して押し出してチャネルを形成する方法、波状のシートを折りたたむ方法、部材を機械的又は化学的に結合させてプレフォーム１０を形成する方法が挙げられる。
【００１９】
好ましい態様では、プレフォーム１０は、平坦な表面ではない末端（即ち、半球形及び中央部が隆起したもの）を含むいずれの外形を有していてもよいハニカム構造にある。チャネル４０は、図２に示すいずれのチャネル長８０を有していてもよい。典型的には、チャネル長８０は、最小チャネル径の２倍以上になる。無論、チャネル長８０は、最小チャネル径の数倍、１０倍、２０倍以上であってもよい。しかしながら、いくつかの点において、チャネル長８０は、挿入されたセラミック粉末９０を簡単に充填できない程度に長い又は細い状態にあってもよい。
【００２０】
チャネル４０に挿入されるセラミック粉末９０は、通常、反応性セラミック粉末の約１０体積％以上を構成する限りにおいては、当該技術分野において知られたセラミック金属複合材料の作製に有用なセラミック粉末であればいずれのものでもよい。セラミック粉末９０は、ホウ化物、酸化物、カーバイド、窒化物、ケイ化物又はこれらの組合せであってもよい。組み合わせには、例えば、炭化ケイ素、窒化酸素、炭化酸素及び窒化炭素等が含まれる。好ましいセラミックとしては、ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＢ２、ＳｉＢ６、ＳｉＢ４、ＡｌＮ、ＺｒＣ、ＺｒＢ又はこれらの組合せが挙げられる。セラミック粉末９０は、反応性セラミックで構成される。反応性セラミックとは、浸透時又はこれに続く加熱処理時に浸透した溶融金属と反応して、該反応性セラミックと浸透金属（チャネル金属１６０）のセラミック反応生成物を形成するものを意味する。好ましくは、セラミック粉末は、その５０体積％以上、６０体積％以上、７０体積％以上、８０体積％以上、９０体積％以上、９５体積％以上が反応性セラミック粉末で構成され、割合が高い程より好ましい。最も好ましい態様では、セラミック粉末９０は、反応性セラミック粉末のみであり、この反応性セラミック粉末は、複数種の反応性粉末の組合せであってもよい。
【００２１】
挿入されたセラミック粉末９０は、例えば、溶融金属の浸透を助けてチャネル４０内でチャネルセラミック金属複合材料１５０を形成させることのできる金属粉末９１と混合してもよい。金属粉末９１は、溶融金属の浸透時に実質的に融解しないことが好ましい。実質的に融解しないとは、本明細書では、金属粉末９１の融解が、起こったとしても金属粉末９１の表面の融解にとどまり、この融解も、溶融金属に含まれる成分による表面の合金化により起こり得ることを意味する。挿入されるセラミック粉末９０と混合される金属粉末９１の量は、一般的には、セラミック粉末９０の約７０体積％以下である。好ましくは、存在する場合には、金属粉末の量は、金属粉末９１を含む挿入粉末９０の総量の約５０体積％以下、より好ましくは約３０体積％以下、更により好ましくは約１５体積％以下、そして最も好ましくは約１０体積％以下である。
【００２２】
セラミック粉末９０は、あらゆる適切な方法によりチャネル４０に挿入できる。セラミック粉末９０は、乾燥状態又は水若しくはプラスチックと混合した状態で挿入できる。例えば、セラミック粉末９０が乾燥状態にある場合は、チャネル４０に注入でき、プレフォーム１０を振とうさせるか又は振動を加えることにより、チャネルへの充填を促進できる。
【００２３】
これに代わる場合、セラミック粉末９０は、セラミック粉末９０を液体と混合して、チャネル４０内に簡単に注ぐか、注入するか又は噴出させることが可能な程度に粘性の低い懸濁液を調製して、これを挿入して液体媒体を除去することが可能であり、代表的な方法は、米国特許第４，２００，６０４号明細書及び米国特許第６，８０３，０１５号明細書に記載されている。別の方法では、例えば、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｊ． Ｒｅｅｄ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ， ＮＹ， １９８８」の第２１章に記載されるように、有機添加剤（例えば、分散剤、潤滑剤及び結合剤）を添加することによってセラミックを押し出すための当該技術分野に知られる適切な方法でプラスチック塊を形成し、このペーストをチャネル内に注入することにより、セラミック粉末９０を挿入できる。
【００２４】
セラミック粉末９０と低粘度の分散液の混合物を用いる場合、この混合物は、一般的に、例えば単に重力だけによって、プレフォーム１０のチャネル４０の一端に挿入され、チャネル４０内を流れ、チャネル４０の他端から回収できる程度の流動性を有する。従って、この混合物は、壁２０及び／若しくは３０上にセラミック粉末９０の層を沈着させるか又は完全にチャネル４０を満たすであろう。一般的に、この方法を用いる場合には、混合物の粘性は、約１０００センチポアズ（ｃｐ）以下であり、より好ましくは、該混合物は、約２００ｃｐ以下、更により好ましくは約１００ｃｐ以下、そして最も好ましくは約２０ｃｐ以下の粘度を有する。
【００２５】
分散液は、例えば、水、有機溶液、例えば、アルコール、脂肪族、グリコール、ケトン、エーテル、アルデヒド、エステル、芳香族、アルケン、アルキン、カルボン酸、カルボン酸塩化物、アミド、アミン、ニトリル、ニトロ、硫化物、スルホキシド、スルホン、有機金属又はこれらの混合物であってもよい。好ましくは、分散液は、水、脂肪族、アルケン又はアルコールである。より好ましくは、分散液は、アルコール、水又はこれらの組合せである。アルコールを用いる場合、メタノール、プロパノール、エタノール又はこれらの組合せが好ましい。より好ましくは、前記アルコールはプロパノールである。
【００２６】
前記混合物は、当該技術分野で知られるような、セラミック懸濁液又はペーストの作製に有用な他の成分を含んでいてもよい。有用な他の成分の例としては、例えば、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｊ． Ｒｅｅｄ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ， ＮＹ， １９８８」の第１０章〜第１２章に記載されるような、分散剤、解膠剤、凝集剤、可塑剤、消泡剤、潤滑剤及び保存剤が挙げられる。混合液に含まれる好ましい結合剤としては、水に可溶性のものではなく、分散液に可溶性のものが挙げられる。
【００２７】
また、前記混合物は、結合剤を含んでいてもよい。結合剤の例としては、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｊ． Ｒｅｅｄ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ， ＮＹ， ＮＹ， １９８８」の第１１章に記載されるようなセルロースエーテルが挙げられる。好ましくは、前記結合剤は、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社からＭＥＴＨＯＣＥＬ及びＥＴＨＯＣＥＬの商標で販売されるようなメチルセルロース又はエチルセルロースである。好ましくは、前記結合剤は、前記分散液に溶解する。
【００２８】
セラミック粉末９０は、例えば、チャネル４０内にセラミック粉末９０を挿入した後に部分的に充填されたチャネル１０５及び充填されていないチャネル１００が存在する場合があるように、チャネル４０のいくつか又はすべてを満たす場合がある。チャネル４０のすべてが実質的に満たされていることが好ましい。実質的に満たされるとは、セラミック粉末９０の粒子間の隙間を除いて、セラミック粉末９０が、チャネル４０の容積の約９５％以上を占めることを意味する。より好ましくは、前記粉末は、完全にチャネル４０を満たす。
【００２９】
別の態様では、セラミック粉末９０は、壁２０及び／又は３０をある程度の厚さでコーティングし、チャネル４０のチャネル長８０に空間を残すように挿入される。この後に、第２の別のセラミック粉末９０を残った容積に挿入することで、壁２０及び／又は３０からチャネル４０の中心部にかけて勾配構造を有するチャネル４０を作製することができる。図７には、セラミック粉末９０が、３種類の異なる粉末で構成される、上記の可能な勾配の一例が示されている。この例では、セラミック粉末９０Ａは、セラミック粉末９０Ｂと同一の粒径を有するが、化学的性質が異なっており、セラミック粉末９０Ｃは、９０Ａと同一の化学的性質を有するが、粒径が異なる。同様に、壁２０及び／又は３０上にセラミック粉末９０がコーティングされたプレフォーム１０に金属（チャネル金属１６０）が浸透し、次いで、第１の金属が浸透した後に、残りのチャネル部分を、チャネル４０に挿入される次のセラミック粉末でコーティングしてもよい。この第２の挿入セラミック粉末も浸透させてもよい。この一連の工程は、所望により何回繰り返してもよく、好ましくは、チャネル４０が、完全に満たされて、チャネル径７０に沿った勾配構造を有するようになるまで繰り返してもよい。
【００３０】
同様に、チャネル４０をセラミック粉末９０で部分的に充填し、次に、異なる化学的性質、粒子充填率又は粒径を有する別のセラミック粉末９０を充填して、チャネル４０のチャネル長８０の下の方まで勾配構造を作り出すこともできる。再度図７を参照するに、先の段落に記載するように、セラミック粉末９０Ａを最初にチャネル４０に挿入し、次に他の粉末９０Ａ、Ｂ及びＣを挿入して浸透させることでチャネル長８０に沿って、チャネル径方向に沿って、そしてチャネル４０の部分において勾配構造が作り出される。所望により、プレフォーム１０のチャネル４０の充填にはいずれの組合せを用いてもよい。組み合わせの可能性は限定されるものではないが、例としては、（１）少なくとも１つのチャネル４０が、別のチャネル４０に挿入されたセラミック粉末とは異なるセラミック粉末９０を有し、（２）少なくとも１つのチャネル４０に挿入されたセラミック粉末９０が、そのチャネル４０内で、そのチャネル４０のチャネル長８０に沿って、又はそのチャネル４０のチャネル径７０に渡って異なっているような場合が挙げられる。例えば、組成、化学的特性、充填率、粒径又はこれらの組合せといったセラミック粉末９０の特性の１個以上が異なる場合には、セラミック粉末９０は異なるといえる。ここでは、異なるとは、特性、例えば上記の特性の一つ等が、既知の標準的手法においてこのような特性を測定した場合に、統計的に異なっていることを意味する。また、異なるとは、例えば、金属・セラミック複合材料中のセラミックの結晶粒（grain）などの個々の微小構造の特徴に関するものではなく、一般的に、セラミック金属複合材料１５０において、セラミック結晶粒の平均結晶粒サイズよりも約１０倍以上大きな容積を有する領域に関する。このような差異は、例えば、研磨断面でセラミック結晶粒の結晶粒サイズ、セラミック粒子の充填率、化学的特性等を測定するための既知の顕微鏡を用いた方法により測定できる。
【００３１】
好ましい態様では、少なくとも１つのチャネル４０内において、セラミック粉末９０は、その組成、充填率及びこれらの組合せにおいて異なっている。
【００３２】
液体媒体又はポリマー媒体を用いてセラミック粉末９０を懸濁する場合、懸濁媒体は、あらゆる適切な方法によって除去できる。例えば、媒体が水やアルコール等の液体の場合、この液体は、風乾、加熱又は減圧による乾燥により除去可能であり、又はプレフォーム１０の一端において、毛細管作用により分散液を除去する多孔質媒体でチャネル４０の末端を塞ぐことによっても除去できる。このような多孔質媒体の例としては、スリップキャストセラミックに用いられるような焼石膏が挙げられる。蒸発乾固又は毛細管作用によっても除去されない有機溶液を除去するためには、セラミック粉末９０が挿入されたプレフォーム１０を適切な雰囲気下で加熱するなど良く知られた適切な処理方法に付してこれらの添加物を取り除くことができる。
【００３３】
図８を参照するに、セラミック粉末９０がプレフォーム１０のチャネル４０に挿入された後に、溶融金属がセラミック粉末９０に浸透し、壁２０及び／又は３０に接着した状態でチャネル４０内でチャネルセラミック金属複合素材１５０が形成される。溶融金属（チャネル金属１６０）の浸透は、当該技術分野で知られたいずれかの適切な方法で行うことができる。このような方法の例としては、米国特許第５，００７，４７５号明細書、米国特許第５，０２０，５８４号明細書、米国特許第５，２９８，４６９号明細書、米国特許第５，５２１，０１６号明細書、米国特許第５，７７５，４０３号明細書に記載された方法が挙げられる。
【００３４】
金属が浸透した後に、前記セラミック金属体１４０を更に加熱処理することで浸透した金属（チャネル金属１６０）を反応性セラミックと反応させることも可能である。浸透に続く加熱処理方法の例としては、米国特許第５，２９８，４６８号明細書及び米国特許第５，５２１，０１６号明細書に記載された方法が挙げられる。
【００３５】
セラミック金属体
本発明の方法により、セラミック、金属、セラミック金属又はこれらの組み合わせであるマトリックスから構成されるセラミック金属体１４０であって、マトリックスはマトリックス中のチャネル４０を規定する壁２０および３０を有し、マトリックスのチャネル４０の少なくとも１つの内部にマトリックスの壁２０及び３０とは異なるチャネルセラミック金属複合材料１５０が存在し、チャネルセラミック金属複合材料１５０がチャネル金属１６０とチャネルセラミック相１７０で構成され、チャネルセラミック相１７０は、反応性セラミック並びにチャネル金属１６０と反応性セラミックとのセラミック反応生成物から構成されることを特徴とするセラミック金属体１４０を形成できる。反応性セラミックは、反応性セラミック粉末について上述したようなものである。
【００３６】
一般的に、反応性セラミックの体積の約１０％以上がチャネル金属１６０と反応してセラミック反応生成物を形成する。反応する反応性セラミックの体積は、好ましくは、少なくとも約１５％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％及び８０％であり、後者ほどより好ましい。好ましい態様では、反応性セラミックの反応度は、少なくとも１つのチャネル４０の内部において又はチャネル４０の間で異なっている。例えば、反応性セラミック粉末の粒径や化学的特性（例えば、反応性粉末に金属や他のセラミックなどでコーティング処理を施してこの粉末の反応性を低下又は上昇させることができる）は、各チャネル４０の内部において異なっていてもよく、その結果、反応性に差が生じることになる。同様に、チャネル４０の内部において、反応に用いられた反応性粉末の体積は、チャネル４０のチャネル長８０又はチャネル径７０の方向に沿って変化する場合がある。
【００３７】
別の好ましい態様では、セラミック金属体１４０は、１つ以上のチャネル４０のチャネル長８０に沿って、チャネルセラミック金属複合材料１５０の性質、構造、化学的性質及びこれらの組合せが異なっている。好ましくは、チャネル４０の少なくとも約１５％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％及び８０％においてチャネルセラミック金属複合材料１５０が異なっており、後者ほどより好ましい。好ましい態様では、チャネル４０の全体においてチャネルセラミック金属複合材料１５０が異なっている。同様にチャネルセラミック金属複合材料１５０は、チャネル又はチャネル４０のチャネル径の方向にも変化する。
【００３８】
好ましい態様では、チャネル金属１６０は、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、銅、ケイ素、マグネシウム、前記各種金属の合金又はこれらの混合物から選択される。同様に、反応セラミックが炭化ホウ素であり、チャネル金属１６０がアルミニウムから構成され、セラミック反応生成物が、以下から選択される１種類以上のセラミックから構成されることが好ましい。
（ａ）ＡｌＢ２、
（ｂ）Ａｌ４ＢＣ、
（ｃ）Ａｌ３Ｂ４８Ｃ２、
（ｄ）ＡｌＢ１２、及び
（ｅ）ＡｌＢ２４Ｃ４。
好ましくは、セラミック反応生成物は、これらのセラミックの２種以上で構成される。また、これらの好ましい態様においては、すべてのチャネル４０が、記載されたチャネル金属１６０及びチャネルセラミック１７０を有することが好ましい。
【００３９】
本発明の更なる有用性の例示としては、セラミック金属体１４０の一部が、ブレーキローターの内部ハブ等の引張応力又はせん断応力に付され、そのチャネル４０が、望ましくは靭性の高いチャネルセラミック金属複合材料１５０（例えば、セラミック粉末を金属粉末と混合することによりチャネルセラミック金属複合材料１５０の靭性は向上する）を有していてもよく、ブレーキローターがブレーキパッドと接触する部分のチャネル４０が、望ましくは耐摩耗性の高いチャネルセラミック金属複合材料１５０（例えば、反応性セラミック粉末のみを用いて得られるような、殆ど全部がセラミックのもの等）を有していてもよい場合が挙げられる。同様に、本発明のセラミック金属体１４０の挿入物の使用は、金属製ブレーキローターと関連する場合がある。例として、このような挿入物は、例えば５０％超の相当量で金属を含み、より靭性の高いチャネルセラミック金属複合材料１５０を有する場合があり、この複合材料は、例えば、上記のように耐摩耗性を向上させるために殆ど全部がセラミックでできたブレーキパッドと接触する反対端とメカニカルファスナーによって金属ブレーキローターに取り付けられる。
【実施例】
【００４０】
実施例１
２インチ×２インチの面積で１インチの深さを有し、２×２ｍｍのチャネル断面積と６０％の壁多孔度を有するムライトハニカムに２種類のスラリーを別々のチャネルに各スラリーが入るように充填した。ムライトハニカムは、米国特許出願公開第２００５／０１１５２１４号明細書に示す方法でＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社により作製された。第１のスラリーは、ｐＨ７の水に２０体積％のＥＳＫ １５００ Ｂ４Ｃパウダー（ＴＥＴＲＡＢＯＲ ＥＳＫ １５００、ＥＳＫ Ｃｅｒａｍｉｃｓ ＧＭＢＨ ＆ Ｃｏ．、ケンプテン、ドイツ）を含んでいた。第２のスラリーは、９０体積％のＴｉＢ２（ＨＣＴ ３ＯＤ、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＣｏｍｐａｎｙのＧＥ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｕｎｉｔから市販、ウィルトン、コネチカット州）及び１０体積％のＢ４Ｃ（ＥＳＫ １５００）を含む混合液を１５体積％含んでいた。Ｂ４Ｃの平均粒径は３〜５μｍであり、ＴｉＢ２の平均粒径は１４μｍであった。細いプラスチック製チューブと点眼器を用いてムライトハニカム（チェッカー盤）の選択したチャネルにスラリーを注入した。チャネルが充填されたハニカムを８０℃で２４時間かけて乾燥させた。乾燥した充填ハニカムをスチール製金型に入れて、空気中で約４００℃に加熱した。予熱した部分を圧力鋳造ユニット（ＴＨＴ Ｐｒｅｓｓｅｓ， Ｉｎｃ．、デイトン、オハイオ州）に移し、この部分に溶融アルミニウムを５〜１０秒かけて注入した。液体金属はすべての開口部に容易に浸透して高密度な壁とチャネルが作製された。セラミック金属部分は２種類のセラミック金属チャネルから構成されており、これらはＡｌ−ムライト複合材料の連続的な網目構造により分離されていた。第１のチャネルセットは、アルミニウム金属、炭化ホウ素及びセラミック反応層ＡｌＢ２及び固溶体層Ａｌ（３−４）ＢＣを含むセラミック金属複合材料を有し、他方のチャネルセットは、Ａｌ、ＴｉＢ２、Ｂ４Ｃ及びセラミック反応層ＡｌＢ２を含むセラミック金属複合材料を有していた。
【００４１】
実施例２
異なるサイズの反応性Ｂ４Ｃ粒子で底部から上部に渡って５層を構成するようにチャネルを充填した以外は、実施例１と同様の方法を行った。２種類のグレードのＢ４Ｃパウダー（ＴＥＴＲＡＢＯＲ Ｆ１２００及びＦ１８０、ＥＳＫ Ｃｅｒａｍｉｃｓ ＧＭＢＨ ＆ Ｃｏ．、ケンプテン、ドイツ）を種々の比率で混合することによりサイズに差異を設けた。パウダーは乾燥状態でチャネルに挿入し、各層が導入された後にハニカム全体を軽く叩いて約１０秒間ゆすることで粒子の充填率を高めた。各層の厚さは約２ｍｍであった。一端から見ていくと、各層のパウダー組成は以下の通りであった：（Ｉ）１００％ Ｆ１２００、（ＩＩ）７５％ Ｆ１２００：２５％ Ｆ１８０、（ＩＩＩ）５０％ Ｆ１２００：５０％ Ｆ１８０、（ＩＶ）２５％ Ｆ１２００：７５％ Ｆ１８０及び（Ｖ）１００％ Ｆ１８０。浸透終了後、セラミック金属体を７００℃で１０時間熱処理した。セラミック金属体は、ビッカース硬度が一端から反対端にかけて約１１００Ｋｇ．ｍｍ２から約４００ｋｇ／ｍｍ２の範囲で変化する段階的構造を有していた。
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００６年７月１４日に出願した米国仮出願第６０／８３１，０３８号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一体式（monolithic）セラミック、金属、セラミック金属複合材料又はこれらの組合せの内部におけるセラミック金属複合材料のマクロ複合材料の形成に関する。
【背景技術】
【０００３】
過去数十年間に渡り、同一の材料においてセラミックの利点（例えば、剛性と耐熱性）と金属の利点（例えば、靭性及び成形性）を有しながら、同時に、それぞれの弱点を最小限にとどめた材料を作製するために数多くのセラミック金属複合材料が開発されてきた。例えば、種々の幾何学的形状（例えば、ホイスカー）のセラミック微粒子とセラミックファイバーで金属が補強されたセラミック金属複合材料が作製されている。典型的には、このようなセラミック金属複合材料は、金属とセラミックの粉末を共焼結し、溶融金属を多孔質セラミックプレフォーム内へ浸透させるか又はセラミック粒子を溶融金属内に導入して、次いでこれをキャスティングすることにより形成される。
【０００４】
セラミックと金属箔の積層物も、コンデンサーの例では非常に良く用いられている。金属へセラミックをコーティングするか又は金属をセラミックで封入することにより酸化を防ぐ技術が開発されており、例えば、ホウロウ調理器具などが挙げられる。ブレーキローターの作製について、金属へのセラミック及びセラミック金属複合材料の単一層積層物又はコーティングが記載されている。同様に、多くの金属にタングステンカーバイド・コバルトを蝋付け又は溶接して、カーバイドチップ付きののこ刃やドリルビットといった切削工具が作製されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のいずれも金属又はセラミック一体式部品と組み合わされたセラミック微粒子系セラミック金属複合材料の特性を引き出したものではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、セラミック金属体を製造する方法であって、次の工程ａ）およびｂ）を含む。
ａ）プレフォームのチャネル内にセラミック粉末を挿入してセラミック粉末が充填されたプレフォームを形成する工程。ただし、プレフォームは、（ｉ）セラミック、セラミック金属複合材料、金属又はこれらの組み合わせであり、そして（ｉｉ）複数のチャネルを規定する壁を有し、各チャネルはプレフォームの表面に開口を有し、セラミック粉末は反応性のセラミック粉末から構成され、セラミック粉末の最大粒径がチャネルの最小チャネル径よりも小さい。
ｂ）セラミック粉末が充填されたプレフォームに溶融金属を浸透させてセラミック金属体を形成する工程。
【０００７】
このような方法を用いることにより、セラミック、金属、セラミック金属又はこれらの組み合わせであるマトリックスから構成されるセラミック金属体であって、マトリックスがマトリックス中のチャネルを規定する壁を有し、マトリックスの１つ以上のチャネル内にマトリックスの壁とは異なる微小構造、化学特性又はこれらの組合せを有するチャネルセラミック金属複合材料が存在し、そしてチャネルセラミック金属複合材料がチャネル金属とチャネルセラミック相で構成され、チャネルセラミック相は反応性セラミック並びにチャネル金属と反応性セラミックとのセラミック反応生成物から構成される、セラミック金属体の作製が可能になる。
【０００８】
セラミック金属体は、金属、セラミック又はセラミック金属複合材料が使用されるあらゆる用途、例えば、以下に限定されないが、車両用構造部材、ブレーキ部材、サスペンション部材、エンジン部材、包装材料、スポーツ用品、車輪、ケーブル、ワイヤー、板、ギア、シール、シャフト、ツールなどに使用できる。セラミック金属体を異なる材質からなる別の構造体と連結させて、別の部材を作り出すこともできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明のセラミック金属体の作製に有用であり、ハニカム形状を有するプレフォームのチャネルを上から見た図である。
【図２】図２は、図１に示すプレフォームの切断側面図である。
【図３】図３は、本発明のセラミック金属体の作製に有用な別のプレフォームのチャネルを上から見た図である。
【図４】図４は、図３に示すプレフォームの切断側面図である。
【図５】図５は、プレフォームのチャネル内にセラミック粉末を挿入した後の図１及び２に示すプレフォームの切断側面図である。
【図６】図６は、図５に示す粉末が充填されたチャネルの一部の拡大断面図である。
【図７】図７は、本発明のセラミック金属体を作製するためにセラミック粉末が充填された別のプレフォームのチャネルであり、種々のセラミック粉末がチャネルに充填された様子の断面である。
【図８】図８は、本発明のセラミック金属体の切断図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
セラミック金属体の形成
図面を参照するに、プレフォーム１０は、セラミック、金属、セラミック金属複合材料又はこれらの組合せであってもよい。例えば、外壁２０が金属であってもよく、内壁３０がセラミック若しくはセラミック金属複合材料であってもよく、又はこの反対であってもよい。加えて、内壁３０のいくつかはセラミックであってもよく、残りの内壁３０は、金属及び／若しくはセラミック金属複合材料、適切な組み合わせであってもよい。内壁３０又は外壁２０のいずれか１つ又はすべては、例えば積層構造にある金属、セラミック又はセラミック金属複合材料の組合せであってもよく、例えば、図６に例示する外壁２０上のコーティング又はクラッド１３０のようなものであってもよい。このようなコーティング又はクラッド１３０が存在する場合、このコーティング又はクラッド１３０は、金属であることが好ましい。また、このようなコーティング又はクラッド１３０により、プレフォーム１０の壁２０及び３０へのチャネル金属１６０の湿潤及び／又は結合が促進又は増強されることが更に好ましい。チャネル４０は、チャネル４０に挿入されたプラグ５０又はプレフォーム１０の末端に付着されたバリアー６０によって一端が塞がれていてもよい。バリアーとプラグ５０は、壁２０及び３０について記載したいずれかの物質であってもよい。
【００１１】
壁２０及び３０は、多孔質又は本質的に密であってもよく、プレフォーム１０においていずれの組合せであってもよい。これは壁２０及び３０であり又は壁２０及び３０の一部は、開放気孔１１０及び／又は密閉気孔１２０を有していてもよく、又は本質的に密であってもよい。本明細書では、本質的に密とは、理論値の少なくとも９９％の密度を意味する。例示的には、前記壁は、通常の密度測定方法又はＵｎｄｅｒｗｏｏｄにより「Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｓｔｅｒｅｏｌｏｇｙ，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ，Ｒｅａｄｉｎｇ，ＭＡ（１９７０）」に記載される切断法を用いた、複合素材の研磨断面の走査型電子顕微鏡写真の定量的立体解析などの金属組織学的手法のようなよく知られた顕微鏡技術を用いて測定された、８５％の多孔度ないし検出されない程度の多孔度を有していてもよい。好ましくは、前記壁は、約７５％未満、より好ましくは約７０％未満、更により好ましくは約６５％未満から本質的な密までの多孔度、好ましくは約１％以下、より好ましくは約５％以下、更により好ましくは約１０％以下、そして最も好ましくは約２０％以下の多孔度を有する。
【００１２】
開放気孔１１０がプレフォーム１０に存在する場合、用途にもよるが、この気孔が、挿入されたセラミック粉末９０の少なくとも一部が前記開放気孔１１０に９４（浸透した挿入セラミック粉末）を浸透させることが可能なような径と形状を有していることが望ましい。同様に、用途によるが、挿入されたセラミック粉末が、本質的に開放気孔１１０に浸透できないことが望ましい場合もある（この文章において、「本質的にできない」とは標準的な顕微鏡写真技術において、浸透が開放気孔１１０の容積の１％未満に認められることを意味する）。好ましい態様では、壁２０及び３０のいずれかの開放気孔１１０の容積の５％以上が、浸透した挿入セラミック粉末９４によって占められる。好ましくは、開放気孔１１０の浸透される容積は、約１０％以上、より好ましくは約２０％以上、そして最も好ましくは約３０％以上ないし望ましくは壁２０及び／又は３０により規定されるチャネル４０に挿入されたセラミック粉末９０が占める容積と本質的に同一の容積の範囲となる。
【００１３】
繰り返しになるが、プレフォーム１０は、セラミック、金属、セラミック金属又はこれらの組合せであってもよい。好ましい態様では、プレフォーム１０は金属である。この金属とは、好ましくは、アルミニウム、鉄、銅、ニッケル、亜鉛、マグネシウム、チタン、タンタル、タングステン、ケイ素、前記金属のいずれかの合金又はこれらの組合せである。好ましくは、前記金属は、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、ケイ素若しくはこれら金属の１種類を主成分として含む金属又はこれらの組合せである。より好ましくは、前記金属は、鉄系金属、ニッケル又はこれらの合金、又は銅若しくはその合金である。最も好ましくは、前記金属は、鉄、鉄合金（例えばスチール）、又はニッケル若しくはニッケル合金の単体又は任意の組合せである。
【００１４】
別の好ましい態様では、プレフォーム１０はセラミックである。セラミックは、当該技術分野において知られる適切なものであればよく、特殊なセラミックはその所望の用途に依存するであろう。前記セラミックは、ファイバー、プレートレット、針状結晶粒、等方結晶粒又はこれらの組合せを含むいずれの微小構造を有していてもよい。好ましいセラミックとしては、例えば、ホウ化物、窒化物、カーバイド、酸化物又はこれらの混合物（例えば、オキシカーバイド、炭窒化物等）又はこれらの組合せが挙げられる。プレフォーム１０に有用なセラミックの具体例としては、ムライト、炭化ケイ素、炭化ホウ素、菫青石、窒化ケイ素、二ホウ化チタン、炭化タングステン、チタン酸アルミニウム、窒化アルミニウム、チタン酸ニオブ、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、六ホウ化ケイ素及びこれらの組合せが挙げられる。
【００１５】
壁２０及び３０は、セラミック金属体１４０の作製に有用ないずれの形状にあってもよい。例えば、図３及び４に示すように、壁２０及び３０は、例えば、詰め込まれて配置された各円柱間の接点が、チャネル４０を規定するような円柱形状にあってもよい。この態様では、円柱内部壁３０Ａは、チューブ又はパイプ状にあってもよい外壁２０内に配置されるファイバー、ワイヤー又はケーブルを用いて形成することができる。内壁３０Ｂは、押し出し形成又はここに挿入した平坦なシート又はリボンを用いたチューブの組み立てにより形成できる。
【００１６】
壁２０及び／又は３０は、セラミック粉末９０が挿入されたチャネル４０において、挿入されたセラミック粉末９０の最大粒度よりも大きな最小チャネル径７０を有するチャネル４０を形成する。最小チャネル径７０は、理論上最大の直径を有する球体をチャネル４０の一端に置いた場合に、詰まることなくチャネル４０の他端まで通過できることを意味する。例えば、図１に示す正方形のチャネル４０の最小チャネル径７０は、正方形の１辺の長さに等しく、この場合、チャネル４０は、チャネル長８０全体に沿って平行な状態で壁２０と３０を有するので、チャネル径７０は、最小チャネル径に等しい。
【００１７】
通常、セラミック粉末９０が挿入されたチャネルの最小チャネル径は、挿入されたセラミック粉末９０の最大粒度よりも２倍以上大きい。これにより、チャネル４０を塞いで、それ以上チャネル４０にセラミック粉末９０を充填できなくなるような橋渡しが形成される恐れが確実に低下する。好ましくは、最小チャネル径は、チャネル４０に挿入されるセラミック粉末９０の最大粒度よりも、５倍以上、より好ましくは７倍以上、そして最も好ましくは１０倍以上大きい。
【００１８】
プレフォーム１０の形成においては、適切なセラミック、セラミック金属複合材料又は金属の形成方法又は形成技術を用い、個々の部材を組み合わせて、これらに限定されないが、機械的結合（例えば、コンプレッションフィット）又は化学的結合（例えば、融合（fusing）、溶接、蝋付け又はこれらの組合せ）等の適切な結合により、組み合わせた部材を固定してもよい。プレフォーム１０の形成方法の例としては、チャネルの穴を開ける方法、金型を通して押し出してチャネルを形成する方法、波状のシートを折りたたむ方法、部材を機械的又は化学的に結合させてプレフォーム１０を形成する方法が挙げられる。
【００１９】
好ましい態様では、プレフォーム１０は、平坦な表面ではない末端（即ち、半球形及び中央部が隆起したもの）を含むいずれの外形を有していてもよいハニカム構造にある。チャネル４０は、図２に示すいずれのチャネル長８０を有していてもよい。典型的には、チャネル長８０は、最小チャネル径の２倍以上になる。無論、チャネル長８０は、最小チャネル径の数倍、１０倍、２０倍以上であってもよい。しかしながら、いくつかの点において、チャネル長８０は、挿入されたセラミック粉末９０を簡単に充填できない程度に長い又は細い状態にあってもよい。
【００２０】
チャネル４０に挿入されるセラミック粉末９０は、通常、反応性セラミック粉末の約１０体積％以上を構成する限りにおいては、当該技術分野において知られたセラミック金属複合材料の作製に有用なセラミック粉末であればいずれのものでもよい。セラミック粉末９０は、ホウ化物、酸化物、カーバイド、窒化物、ケイ化物又はこれらの組合せであってもよい。組み合わせには、例えば、炭化ケイ素、窒化酸素、炭化酸素及び窒化炭素等が含まれる。好ましいセラミックとしては、ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＢ２、ＳｉＢ６、ＳｉＢ４、ＡｌＮ、ＺｒＣ、ＺｒＢ又はこれらの組合せが挙げられる。セラミック粉末９０は、反応性セラミックで構成される。反応性セラミックとは、浸透時又はこれに続く加熱処理時に浸透した溶融金属と反応して、該反応性セラミックと浸透金属（チャネル金属１６０）のセラミック反応生成物を形成するものを意味する。好ましくは、セラミック粉末は、その５０体積％以上、６０体積％以上、７０体積％以上、８０体積％以上、９０体積％以上、９５体積％以上が反応性セラミック粉末で構成され、割合が高い程より好ましい。最も好ましい態様では、セラミック粉末９０は、反応性セラミック粉末のみであり、この反応性セラミック粉末は、複数種の反応性粉末の組合せであってもよい。
【００２１】
挿入されたセラミック粉末９０は、例えば、溶融金属の浸透を助けてチャネル４０内でチャネルセラミック金属複合材料１５０を形成させることのできる金属粉末９１と混合してもよい。金属粉末９１は、溶融金属の浸透時に実質的に融解しないことが好ましい。実質的に融解しないとは、本明細書では、金属粉末９１の融解が、起こったとしても金属粉末９１の表面の融解にとどまり、この融解も、溶融金属に含まれる成分による表面の合金化により起こり得ることを意味する。挿入されるセラミック粉末９０と混合される金属粉末９１の量は、一般的には、セラミック粉末９０の約７０体積％以下である。好ましくは、存在する場合には、金属粉末の量は、金属粉末９１を含む挿入粉末９０の総量の約５０体積％以下、より好ましくは約３０体積％以下、更により好ましくは約１５体積％以下、そして最も好ましくは約１０体積％以下である。
【００２２】
セラミック粉末９０は、あらゆる適切な方法によりチャネル４０に挿入できる。セラミック粉末９０は、乾燥状態又は水若しくはプラスチックと混合した状態で挿入できる。例えば、セラミック粉末９０が乾燥状態にある場合は、チャネル４０に注入でき、プレフォーム１０を振とうさせるか又は振動を加えることにより、チャネルへの充填を促進できる。
【００２３】
これに代わる場合、セラミック粉末９０は、セラミック粉末９０を液体と混合して、チャネル４０内に簡単に注ぐか、注入するか又は噴出させることが可能な程度に粘性の低い懸濁液を調製して、これを挿入して液体媒体を除去することが可能であり、代表的な方法は、米国特許第４，２００，６０４号明細書及び米国特許第６，８０３，０１５号明細書に記載されている。別の方法では、例えば、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｊ． Ｒｅｅｄ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ， ＮＹ， １９８８」の第２１章に記載されるように、有機添加剤（例えば、分散剤、潤滑剤及び結合剤）を添加することによってセラミックを押し出すための当該技術分野に知られる適切な方法でプラスチック塊を形成し、このペーストをチャネル内に注入することにより、セラミック粉末９０を挿入できる。
【００２４】
セラミック粉末９０と低粘度の分散液の混合物を用いる場合、この混合物は、一般的に、例えば単に重力だけによって、プレフォーム１０のチャネル４０の一端に挿入され、チャネル４０内を流れ、チャネル４０の他端から回収できる程度の流動性を有する。従って、この混合物は、壁２０及び／若しくは３０上にセラミック粉末９０の層を沈着させるか又は完全にチャネル４０を満たすであろう。一般的に、この方法を用いる場合には、混合物の粘性は、約１０００センチポアズ（ｃｐ）以下であり、より好ましくは、該混合物は、約２００ｃｐ以下、更により好ましくは約１００ｃｐ以下、そして最も好ましくは約２０ｃｐ以下の粘度を有する。
【００２５】
分散液は、例えば、水、有機溶液、例えば、アルコール、脂肪族、グリコール、ケトン、エーテル、アルデヒド、エステル、芳香族、アルケン、アルキン、カルボン酸、カルボン酸塩化物、アミド、アミン、ニトリル、ニトロ、硫化物、スルホキシド、スルホン、有機金属又はこれらの混合物であってもよい。好ましくは、分散液は、水、脂肪族、アルケン又はアルコールである。より好ましくは、分散液は、アルコール、水又はこれらの組合せである。アルコールを用いる場合、メタノール、プロパノール、エタノール又はこれらの組合せが好ましい。より好ましくは、前記アルコールはプロパノールである。
【００２６】
前記混合物は、当該技術分野で知られるような、セラミック懸濁液又はペーストの作製に有用な他の成分を含んでいてもよい。有用な他の成分の例としては、例えば、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｊ． Ｒｅｅｄ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ， ＮＹ， １９８８」の第１０章〜第１２章に記載されるような、分散剤、解膠剤、凝集剤、可塑剤、消泡剤、潤滑剤及び保存剤が挙げられる。混合液に含まれる好ましい結合剤としては、水に可溶性のものではなく、分散液に可溶性のものが挙げられる。
【００２７】
また、前記混合物は、結合剤を含んでいてもよい。結合剤の例としては、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｊ． Ｒｅｅｄ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ， ＮＹ， ＮＹ， １９８８」の第１１章に記載されるようなセルロースエーテルが挙げられる。好ましくは、前記結合剤は、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社からＭＥＴＨＯＣＥＬ及びＥＴＨＯＣＥＬの商標で販売されるようなメチルセルロース又はエチルセルロースである。好ましくは、前記結合剤は、前記分散液に溶解する。
【００２８】
セラミック粉末９０は、例えば、チャネル４０内にセラミック粉末９０を挿入した後に部分的に充填されたチャネル１０５及び充填されていないチャネル１００が存在する場合があるように、チャネル４０のいくつか又はすべてを満たす場合がある。チャネル４０のすべてが実質的に満たされていることが好ましい。実質的に満たされるとは、セラミック粉末９０の粒子間の隙間を除いて、セラミック粉末９０が、チャネル４０の容積の約９５％以上を占めることを意味する。より好ましくは、前記粉末は、完全にチャネル４０を満たす。
【００２９】
別の態様では、セラミック粉末９０は、壁２０及び／又は３０をある程度の厚さでコーティングし、チャネル４０のチャネル長８０に空間を残すように挿入される。この後に、第２の別のセラミック粉末９０を残った容積に挿入することで、壁２０及び／又は３０からチャネル４０の中心部にかけて勾配構造を有するチャネル４０を作製することができる。図７には、セラミック粉末９０が、３種類の異なる粉末で構成される、上記の可能な勾配の一例が示されている。この例では、セラミック粉末９０Ａは、セラミック粉末９０Ｂと同一の粒径を有するが、化学的性質が異なっており、セラミック粉末９０Ｃは、９０Ａと同一の化学的性質を有するが、粒径が異なる。同様に、壁２０及び／又は３０上にセラミック粉末９０がコーティングされたプレフォーム１０に金属（チャネル金属１６０）が浸透し、次いで、第１の金属が浸透した後に、残りのチャネル部分を、チャネル４０に挿入される次のセラミック粉末でコーティングしてもよい。この第２の挿入セラミック粉末も浸透させてもよい。この一連の工程は、所望により何回繰り返してもよく、好ましくは、チャネル４０が、完全に満たされて、チャネル径７０に沿った勾配構造を有するようになるまで繰り返してもよい。
【００３０】
同様に、チャネル４０をセラミック粉末９０で部分的に充填し、次に、異なる化学的性質、粒子充填率又は粒径を有する別のセラミック粉末９０を充填して、チャネル４０のチャネル長８０の下の方まで勾配構造を作り出すこともできる。再度図７を参照するに、先の段落に記載するように、セラミック粉末９０Ａを最初にチャネル４０に挿入し、次に他の粉末９０Ａ、Ｂ及びＣを挿入して浸透させることでチャネル長８０に沿って、チャネル径方向に沿って、そしてチャネル４０の部分において勾配構造が作り出される。所望により、プレフォーム１０のチャネル４０の充填にはいずれの組合せを用いてもよい。組み合わせの可能性は限定されるものではないが、例としては、（１）少なくとも１つのチャネル４０が、別のチャネル４０に挿入されたセラミック粉末とは異なるセラミック粉末９０を有し、（２）少なくとも１つのチャネル４０に挿入されたセラミック粉末９０が、そのチャネル４０内で、そのチャネル４０のチャネル長８０に沿って、又はそのチャネル４０のチャネル径７０に渡って異なっているような場合が挙げられる。例えば、組成、化学的特性、充填率、粒径又はこれらの組合せといったセラミック粉末９０の特性の１個以上が異なる場合には、セラミック粉末９０は異なるといえる。ここでは、異なるとは、特性、例えば上記の特性の一つ等が、既知の標準的手法においてこのような特性を測定した場合に、統計的に異なっていることを意味する。また、異なるとは、例えば、金属・セラミック複合材料中のセラミックの結晶粒（grain）などの個々の微小構造の特徴に関するものではなく、一般的に、セラミック金属複合材料１５０において、セラミック結晶粒の平均結晶粒サイズよりも約１０倍以上大きな容積を有する領域に関する。このような差異は、例えば、研磨断面でセラミック結晶粒の結晶粒サイズ、セラミック粒子の充填率、化学的特性等を測定するための既知の顕微鏡を用いた方法により測定できる。
【００３１】
好ましい態様では、少なくとも１つのチャネル４０内において、セラミック粉末９０は、その組成、充填率及びこれらの組合せにおいて異なっている。
【００３２】
液体媒体又はポリマー媒体を用いてセラミック粉末９０を懸濁する場合、懸濁媒体は、あらゆる適切な方法によって除去できる。例えば、媒体が水やアルコール等の液体の場合、この液体は、風乾、加熱又は減圧による乾燥により除去可能であり、又はプレフォーム１０の一端において、毛細管作用により分散液を除去する多孔質媒体でチャネル４０の末端を塞ぐことによっても除去できる。このような多孔質媒体の例としては、スリップキャストセラミックに用いられるような焼石膏が挙げられる。蒸発乾固又は毛細管作用によっても除去されない有機溶液を除去するためには、セラミック粉末９０が挿入されたプレフォーム１０を適切な雰囲気下で加熱するなど良く知られた適切な処理方法に付してこれらの添加物を取り除くことができる。
【００３３】
図８を参照するに、セラミック粉末９０がプレフォーム１０のチャネル４０に挿入された後に、溶融金属がセラミック粉末９０に浸透し、壁２０及び／又は３０に接着した状態でチャネル４０内でチャネルセラミック金属複合素材１５０が形成される。溶融金属（チャネル金属１６０）の浸透は、当該技術分野で知られたいずれかの適切な方法で行うことができる。このような方法の例としては、米国特許第５，００７，４７５号明細書、米国特許第５，０２０，５８４号明細書、米国特許第５，２９８，４６９号明細書、米国特許第５，５２１，０１６号明細書、米国特許第５，７７５，４０３号明細書に記載された方法が挙げられる。
【００３４】
金属が浸透した後に、前記セラミック金属体１４０を更に加熱処理することで浸透した金属（チャネル金属１６０）を反応性セラミックと反応させることも可能である。浸透に続く加熱処理方法の例としては、米国特許第５，２９８，４６８号明細書及び米国特許第５，５２１，０１６号明細書に記載された方法が挙げられる。
【００３５】
セラミック金属体
本発明の方法により、セラミック、金属、セラミック金属又はこれらの組み合わせであるマトリックスから構成されるセラミック金属体１４０であって、マトリックスはマトリックス中のチャネル４０を規定する壁２０および３０を有し、マトリックスのチャネル４０の少なくとも１つの内部にマトリックスの壁２０及び３０とは異なるチャネルセラミック金属複合材料１５０が存在し、チャネルセラミック金属複合材料１５０がチャネル金属１６０とチャネルセラミック相１７０で構成され、チャネルセラミック相１７０は、反応性セラミック並びにチャネル金属１６０と反応性セラミックとのセラミック反応生成物から構成されることを特徴とするセラミック金属体１４０を形成できる。反応性セラミックは、反応性セラミック粉末について上述したようなものである。
【００３６】
一般的に、反応性セラミックの体積の約１０％以上がチャネル金属１６０と反応してセラミック反応生成物を形成する。反応する反応性セラミックの体積は、好ましくは、少なくとも約１５％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％及び８０％であり、後者ほどより好ましい。好ましい態様では、反応性セラミックの反応度は、少なくとも１つのチャネル４０の内部において又はチャネル４０の間で異なっている。例えば、反応性セラミック粉末の粒径や化学的特性（例えば、反応性粉末に金属や他のセラミックなどでコーティング処理を施してこの粉末の反応性を低下又は上昇させることができる）は、各チャネル４０の内部において異なっていてもよく、その結果、反応性に差が生じることになる。同様に、チャネル４０の内部において、反応に用いられた反応性粉末の体積は、チャネル４０のチャネル長８０又はチャネル径７０の方向に沿って変化する場合がある。
【００３７】
別の好ましい態様では、セラミック金属体１４０は、１つ以上のチャネル４０のチャネル長８０に沿って、チャネルセラミック金属複合材料１５０の性質、構造、化学的性質及びこれらの組合せが異なっている。好ましくは、チャネル４０の少なくとも約１５％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％及び８０％においてチャネルセラミック金属複合材料１５０が異なっており、後者ほどより好ましい。好ましい態様では、チャネル４０の全体においてチャネルセラミック金属複合材料１５０が異なっている。同様にチャネルセラミック金属複合材料１５０は、チャネル又はチャネル４０のチャネル径の方向にも変化する。
【００３８】
好ましい態様では、チャネル金属１６０は、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、銅、ケイ素、マグネシウム、前記各種金属の合金又はこれらの混合物から選択される。同様に、反応セラミックが炭化ホウ素であり、チャネル金属１６０がアルミニウムから構成され、セラミック反応生成物が、以下から選択される１種類以上のセラミックから構成されることが好ましい。
（ａ）ＡｌＢ２、
（ｂ）Ａｌ４ＢＣ、
（ｃ）Ａｌ３Ｂ４８Ｃ２、
（ｄ）ＡｌＢ１２、及び
（ｅ）ＡｌＢ２４Ｃ４。
好ましくは、セラミック反応生成物は、これらのセラミックの２種以上で構成される。また、これらの好ましい態様においては、すべてのチャネル４０が、記載されたチャネル金属１６０及びチャネルセラミック１７０を有することが好ましい。
【００３９】
本発明の更なる有用性の例示としては、セラミック金属体１４０の一部が、ブレーキローターの内部ハブ等の引張応力又はせん断応力に付され、そのチャネル４０が、望ましくは靭性の高いチャネルセラミック金属複合材料１５０（例えば、セラミック粉末を金属粉末と混合することによりチャネルセラミック金属複合材料１５０の靭性は向上する）を有していてもよく、ブレーキローターがブレーキパッドと接触する部分のチャネル４０が、望ましくは耐摩耗性の高いチャネルセラミック金属複合材料１５０（例えば、反応性セラミック粉末のみを用いて得られるような、殆ど全部がセラミックのもの等）を有していてもよい場合が挙げられる。同様に、本発明のセラミック金属体１４０の挿入物の使用は、金属製ブレーキローターと関連する場合がある。例として、このような挿入物は、例えば５０％超の相当量で金属を含み、より靭性の高いチャネルセラミック金属複合材料１５０を有する場合があり、この複合材料は、例えば、上記のように耐摩耗性を向上させるために殆ど全部がセラミックでできたブレーキパッドと接触する反対端とメカニカルファスナーによって金属ブレーキローターに取り付けられる。
【実施例】
【００４０】
実施例１
２インチ×２インチの面積で１インチの深さを有し、２×２ｍｍのチャネル断面積と６０％の壁多孔度を有するムライトハニカムに２種類のスラリーを別々のチャネルに各スラリーが入るように充填した。ムライトハニカムは、米国特許出願公開第２００５／０１１５２１４号明細書に示す方法でＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社により作製された。第１のスラリーは、ｐＨ７の水に２０体積％のＥＳＫ １５００ Ｂ４Ｃパウダー（ＴＥＴＲＡＢＯＲ ＥＳＫ １５００、ＥＳＫ Ｃｅｒａｍｉｃｓ ＧＭＢＨ ＆ Ｃｏ．、ケンプテン、ドイツ）を含んでいた。第２のスラリーは、９０体積％のＴｉＢ２（ＨＣＴ ３ＯＤ、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＣｏｍｐａｎｙのＧＥ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｕｎｉｔから市販、ウィルトン、コネチカット州）及び１０体積％のＢ４Ｃ（ＥＳＫ １５００）を含む混合液を１５体積％含んでいた。Ｂ４Ｃの平均粒径は３〜５μｍであり、ＴｉＢ２の平均粒径は１４μｍであった。細いプラスチック製チューブと点眼器を用いてムライトハニカム（チェッカー盤）の選択したチャネルにスラリーを注入した。チャネルが充填されたハニカムを８０℃で２４時間かけて乾燥させた。乾燥した充填ハニカムをスチール製金型に入れて、空気中で約４００℃に加熱した。予熱した部分を圧力鋳造ユニット（ＴＨＴ Ｐｒｅｓｓｅｓ， Ｉｎｃ．、デイトン、オハイオ州）に移し、この部分に溶融アルミニウムを５〜１０秒かけて注入した。液体金属はすべての開口部に容易に浸透して高密度な壁とチャネルが作製された。セラミック金属部分は２種類のセラミック金属チャネルから構成されており、これらはＡｌ−ムライト複合材料の連続的な網目構造により分離されていた。第１のチャネルセットは、アルミニウム金属、炭化ホウ素及びセラミック反応層ＡｌＢ２及び固溶体層Ａｌ（３−４）ＢＣを含むセラミック金属複合材料を有し、他方のチャネルセットは、Ａｌ、ＴｉＢ２、Ｂ４Ｃ及びセラミック反応層ＡｌＢ２を含むセラミック金属複合材料を有していた。
【００４１】
実施例２
異なるサイズの反応性Ｂ４Ｃ粒子で底部から上部に渡って５層を構成するようにチャネルを充填した以外は、実施例１と同様の方法を行った。２種類のグレードのＢ４Ｃパウダー（ＴＥＴＲＡＢＯＲ Ｆ１２００及びＦ１８０、ＥＳＫ Ｃｅｒａｍｉｃｓ ＧＭＢＨ ＆ Ｃｏ．、ケンプテン、ドイツ）を種々の比率で混合することによりサイズに差異を設けた。パウダーは乾燥状態でチャネルに挿入し、各層が導入された後にハニカム全体を軽く叩いて約１０秒間ゆすることで粒子の充填率を高めた。各層の厚さは約２ｍｍであった。一端から見ていくと、各層のパウダー組成は以下の通りであった：（Ｉ）１００％ Ｆ１２００、（ＩＩ）７５％ Ｆ１２００：２５％ Ｆ１８０、（ＩＩＩ）５０％ Ｆ１２００：５０％ Ｆ１８０、（ＩＶ）２５％ Ｆ１２００：７５％ Ｆ１８０及び（Ｖ）１００％ Ｆ１８０。浸透終了後、セラミック金属体を７００℃で１０時間熱処理した。セラミック金属体は、ビッカース硬度が一端から反対端にかけて約１１００Ｋｇ．ｍｍ２から約４００ｋｇ／ｍｍ２の範囲で変化する段階的構造を有していた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）プレフォームのチャネル内にセラミック粉末を挿入してセラミック粉末が充填されたプレフォームを形成する工程、及び
ｂ）セラミック粉末が充填されたプレフォームに溶融金属を浸透させてセラミック金属体を形成する工程、
を含む、セラミック金属体を製造する方法であって、
プレフォームは、（ｉ）セラミック、セラミック金属複合材料、金属又はこれらの組み合わせであり、そして（ｉｉ）複数のチャネルを規定する壁を有し、各チャネルはプレフォームの表面に開口を有し、セラミック粉末は反応性のセラミック粉末から構成され、セラミック粉末の最大粒径がチャネルの最小チャネル径よりも小さいことを特徴とする方法。
【請求項２】
プレフォームがハニカム構造を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
プレフォームがセラミック金属複合材料、金属又はこれらの組合せであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
プレフォームが本質的に開放気孔を有しないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
プレフォームが本質的に密であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
プレフォームが、開放気孔を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
開放気孔が、挿入されたセラミック粉末の少なくとも一部がプレフォームの壁の中に進入するのに十分な径を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
開放気孔が、チャネル内に挿入されたセラミック粉末が本質的にプレフォームの壁の中に進入できない径を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
プレフォームが金属であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
セラミック粉末が少なくとも２種の反応性セラミック粉末で構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
セラミック粉末が更に金属粉末で構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
金属粉末が溶融金属の浸透時に実質的に融解しないことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
チャネルの少なくとも１つに挿入されたセラミック粉末が別のチャネルに挿入されたセラミック粉末とは異なることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つのチャネルに挿入されたセラミック粉末が、該チャネル内で、組成、充填量又はこれらの組合せにおいて異なることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
チャネルの少なくとも１つに挿入されたセラミック粉末が、別のチャネルに挿入されたセラミック粉末とは異なることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記壁が、その上部又は内部に結合剤を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
結合剤が粉末剤又はコーティング剤であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
結合剤がセラミック又は金属であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
セラミック粉末が反応性セラミック粉末のみからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
反応性セラミック粉末がカーバイド、ホウ化物又はその組み合わせであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
反応性セラミック粉末がホウ素を含有するカーバイドであることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
カーバイドが炭化ホウ素であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
金属が鉄類であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項２４】
鉄類がスチールであることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２５】
溶融金属がアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
セラミック、金属、セラミック金属又はこれらの組み合わせであるマトリックスから構成されるセラミック金属体であって、マトリックスはマトリックス中のチャネルを規定する壁を有し、マトリックスのチャネルの少なくとも１つの内部にマトリックスの壁とは異なる微小構造、化学特性又はこれらの組合せを有するチャネルセラミック金属複合材料が存在し、チャネルセラミック金属複合材料がチャネル金属とチャネルセラミック相で構成され、チャネルセラミック相は反応性セラミック並びにチャネル金属と反応性セラミックとのセラミック反応生成物から構成されることを特徴とするセラミック金属体。
【請求項２７】
少なくとも１つのチャネルの縦方向に沿って、チャネルセラミック金属複合材料が、その性質、構造、化学特性又はこれらの組合せにおいて変化することを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項２８】
チャネルセラミック金属複合材料が、セラミック金属体の別のチャネル内のチャネルセラミック金属複合材料と異なる構造、化学特性、性質又はこれらの組合せを有することを特徴とする請求項２５に記載のセラミック金属体。
【請求項２９】
少なくとも５０％のチャネルの縦方向に沿って、チャネルセラミック金属複合材料が、その性質、構造、化学特性又はこれらの組合せにおいて変化することを特徴とする請求項２８に記載のセラミック金属体。
【請求項３０】
少なくとも１つのチャネルにおいて、チャネルセラミック金属複合材料が、チャネルの断面の寸法に沿って、その性質、構造、化学特性又はこれらの組合せにおいて変化することを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項３１】
反応性セラミックが炭化ホウ素であり、セラミック反応生成物が、（ａ）ＡｌＢ２、（ｂ）Ａｌ４ＢＣ、（ｃ）Ａｌ３Ｂ４８Ｃ２、（ｄ）ＡｌＢ１２、及び（ｅ）ＡｌＢ２４Ｃ４から選択される少なくとも１種のセラミックから構成されることを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項３２】
１つ以上のチャネルのチャネルセラミック金属複合材料が、（ａ）ＡｌＢ２、（ｂ）Ａｌ４ＢＣ、（ｃ）Ａｌ３Ｂ４８Ｃ２、（ｄ）ＡｌＢ１２、及び（ｅ）ＡｌＢ２４Ｃ４から選択される少なくとも２種のセラミックから構成されることを特徴とする請求項３１に記載のセラミック金属体。
【請求項３３】
すべてのチャネルのチャネルセラミック金属複合材料が、（ａ）ＡｌＢ２、（ｂ）Ａｌ４ＢＣ、（ｃ）Ａｌ３Ｂ４８Ｃ２、（ｄ）ＡｌＢ１２、及び（ｅ）ＡｌＢ２４Ｃ４から選択される少なくとも２種のセラミックから構成されることを特徴とする請求項３２に記載のセラミック金属体。
【請求項３４】
チャネル金属が、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、銅、ケイ素、マグネシウム、それらのそれぞれの合金及びそれらの混合物であることを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項３５】
チャネルセラミック金属複合材料の公称最大セラミック結晶粒サイズが、チャネルの最小チャネル径よりも実質的に小さいことを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項３６】
公称最大セラミック結晶粒サイズが、チャネルの最小チャネル径の約５分の１以下であることを特徴とする請求項３５に記載のセラミック金属体。
【請求項３７】
少なくとも１つのチャネルのチャネルセラミック金属複合材料が、セラミック金属複合材料の金属との反応性を示さないセラミックを含むことを特徴とする請求項３１に記載のセラミック金属体。
【請求項３８】
マトリックスが、セラミック、金属又はこれらの組合せであることを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項３９】
マトリックスがセラミックであることを特徴とする請求項３８に記載のセラミック金属体。
【請求項４０】
マトリックスが金属であることを特徴とする請求項３８に記載のセラミック金属体。
【請求項４１】
マトリックスが多孔質であることを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項４２】
マトリックスが密であることを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項４３】
請求項２６〜４２のいずれか１項に記載のセラミック金属体から構成される構造部材。
【請求項４４】
構造部材が車両用構造部材であることを特徴とする請求項４３に記載の構造部材。
【請求項４５】
車両用構造部材がブレーキ部材又はサスペンション部材であることを特徴とする請求項４４に記載の構造部材。
【請求項１】
ａ）プレフォームのチャネル内にセラミック粉末を挿入してセラミック粉末が充填されたプレフォームを形成する工程、及び
ｂ）セラミック粉末が充填されたプレフォームに溶融金属を浸透させてセラミック金属体を形成する工程、
を含む、セラミック金属体を製造する方法であって、
プレフォームは、（ｉ）セラミック、セラミック金属複合材料、金属又はこれらの組み合わせであり、そして（ｉｉ）複数のチャネルを規定する壁を有し、各チャネルはプレフォームの表面に開口を有し、セラミック粉末は反応性のセラミック粉末から構成され、セラミック粉末の最大粒径がチャネルの最小チャネル径よりも小さいことを特徴とする方法。
【請求項２】
プレフォームがハニカム構造を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
プレフォームがセラミック金属複合材料、金属又はこれらの組合せであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
プレフォームが本質的に開放気孔を有しないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
プレフォームが本質的に密であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
プレフォームが、開放気孔を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
開放気孔が、挿入されたセラミック粉末の少なくとも一部がプレフォームの壁の中に進入するのに十分な径を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
開放気孔が、チャネル内に挿入されたセラミック粉末が本質的にプレフォームの壁の中に進入できない径を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
プレフォームが金属であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
セラミック粉末が少なくとも２種の反応性セラミック粉末で構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
セラミック粉末が更に金属粉末で構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
金属粉末が溶融金属の浸透時に実質的に融解しないことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
チャネルの少なくとも１つに挿入されたセラミック粉末が別のチャネルに挿入されたセラミック粉末とは異なることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つのチャネルに挿入されたセラミック粉末が、該チャネル内で、組成、充填量又はこれらの組合せにおいて異なることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
チャネルの少なくとも１つに挿入されたセラミック粉末が、別のチャネルに挿入されたセラミック粉末とは異なることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記壁が、その上部又は内部に結合剤を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
結合剤が粉末剤又はコーティング剤であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
結合剤がセラミック又は金属であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
セラミック粉末が反応性セラミック粉末のみからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
反応性セラミック粉末がカーバイド、ホウ化物又はその組み合わせであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
反応性セラミック粉末がホウ素を含有するカーバイドであることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
カーバイドが炭化ホウ素であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
金属が鉄類であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項２４】
鉄類がスチールであることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２５】
溶融金属がアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
セラミック、金属、セラミック金属又はこれらの組み合わせであるマトリックスから構成されるセラミック金属体であって、マトリックスはマトリックス中のチャネルを規定する壁を有し、マトリックスのチャネルの少なくとも１つの内部にマトリックスの壁とは異なる微小構造、化学特性又はこれらの組合せを有するチャネルセラミック金属複合材料が存在し、チャネルセラミック金属複合材料がチャネル金属とチャネルセラミック相で構成され、チャネルセラミック相は反応性セラミック並びにチャネル金属と反応性セラミックとのセラミック反応生成物から構成されることを特徴とするセラミック金属体。
【請求項２７】
少なくとも１つのチャネルの縦方向に沿って、チャネルセラミック金属複合材料が、その性質、構造、化学特性又はこれらの組合せにおいて変化することを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項２８】
チャネルセラミック金属複合材料が、セラミック金属体の別のチャネル内のチャネルセラミック金属複合材料と異なる構造、化学特性、性質又はこれらの組合せを有することを特徴とする請求項２５に記載のセラミック金属体。
【請求項２９】
少なくとも５０％のチャネルの縦方向に沿って、チャネルセラミック金属複合材料が、その性質、構造、化学特性又はこれらの組合せにおいて変化することを特徴とする請求項２８に記載のセラミック金属体。
【請求項３０】
少なくとも１つのチャネルにおいて、チャネルセラミック金属複合材料が、チャネルの断面の寸法に沿って、その性質、構造、化学特性又はこれらの組合せにおいて変化することを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項３１】
反応性セラミックが炭化ホウ素であり、セラミック反応生成物が、（ａ）ＡｌＢ２、（ｂ）Ａｌ４ＢＣ、（ｃ）Ａｌ３Ｂ４８Ｃ２、（ｄ）ＡｌＢ１２、及び（ｅ）ＡｌＢ２４Ｃ４から選択される少なくとも１種のセラミックから構成されることを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項３２】
１つ以上のチャネルのチャネルセラミック金属複合材料が、（ａ）ＡｌＢ２、（ｂ）Ａｌ４ＢＣ、（ｃ）Ａｌ３Ｂ４８Ｃ２、（ｄ）ＡｌＢ１２、及び（ｅ）ＡｌＢ２４Ｃ４から選択される少なくとも２種のセラミックから構成されることを特徴とする請求項３１に記載のセラミック金属体。
【請求項３３】
すべてのチャネルのチャネルセラミック金属複合材料が、（ａ）ＡｌＢ２、（ｂ）Ａｌ４ＢＣ、（ｃ）Ａｌ３Ｂ４８Ｃ２、（ｄ）ＡｌＢ１２、及び（ｅ）ＡｌＢ２４Ｃ４から選択される少なくとも２種のセラミックから構成されることを特徴とする請求項３２に記載のセラミック金属体。
【請求項３４】
チャネル金属が、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、銅、ケイ素、マグネシウム、それらのそれぞれの合金及びそれらの混合物であることを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項３５】
チャネルセラミック金属複合材料の公称最大セラミック結晶粒サイズが、チャネルの最小チャネル径よりも実質的に小さいことを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項３６】
公称最大セラミック結晶粒サイズが、チャネルの最小チャネル径の約５分の１以下であることを特徴とする請求項３５に記載のセラミック金属体。
【請求項３７】
少なくとも１つのチャネルのチャネルセラミック金属複合材料が、セラミック金属複合材料の金属との反応性を示さないセラミックを含むことを特徴とする請求項３１に記載のセラミック金属体。
【請求項３８】
マトリックスが、セラミック、金属又はこれらの組合せであることを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項３９】
マトリックスがセラミックであることを特徴とする請求項３８に記載のセラミック金属体。
【請求項４０】
マトリックスが金属であることを特徴とする請求項３８に記載のセラミック金属体。
【請求項４１】
マトリックスが多孔質であることを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項４２】
マトリックスが密であることを特徴とする請求項２６に記載のセラミック金属体。
【請求項４３】
請求項２６〜４２のいずれか１項に記載のセラミック金属体から構成される構造部材。
【請求項４４】
構造部材が車両用構造部材であることを特徴とする請求項４３に記載の構造部材。
【請求項４５】
車両用構造部材がブレーキ部材又はサスペンション部材であることを特徴とする請求項４４に記載の構造部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００９−５４３９４７（Ｐ２００９−５４３９４７Ａ）
【公表日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５１９５４５（Ｐ２００９−５１９５４５）
【出願日】平成１９年７月１３日（２００７．７．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１６００９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／００８４９６
【国際公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【出願人】（５０２１４１０５０）ダウ グローバル テクノロジーズ インコーポレイティド (1,383)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１３日（２００７．７．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１６００９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／００８４９６
【国際公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【出願人】（５０２１４１０５０）ダウ グローバル テクノロジーズ インコーポレイティド (1,383)
【Ｆターム（参考）】
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