また、基盤の表面性状が溶融金属とセラミックス聞の濡れ性に影響を及ぼすと考えられたので 表面粗さを変えた基盤と繊維プリフォームを用いて溶融Alとの濡れ性を調査した。繊維プリフォ ームでは表面は繊維と気孔で構成され、また固体基盤の表面が粗い場合には凹部が見かけ上気孔 となり、 Al~夜滴が気孔部を濡らすことができなくなると濡れ性は低下した。このような濡れ性に
及ぼす表面性状の影響は、表面構造の定量的解析結果に基づいて得られた表面気孔率をCassieの 式に導入することにより評価しうることを示した。さらに、溶湯がプリフォーム中を溶浸する場 合を想定し、溶融Alをセラミックス基盤闘で移動させたときの接触角の変化を調査したところ、
接 触 角 θは 流 速 (v )が速くなるほど大きくなり、得られた θ‑ vの関係式からO.Olm/sでは 1800 に増加すると計算された。
液相法による複合化においては接触角はできるだけ低い値が望ましいので、まず溶融金属ヘ合 金元素を添加することにより濡れ性の改善を試みた。 A1203基 盤 に 対 す る 接 触 角 は 、 溶 融Alヘ 4.1"'‑'9.7紗fg、1.7"'‑'4.2%Liを添加することにより 973Kでいずれも98"'‑'900 ヘ低下し、これら各元 素 の 添 加 量 が 増 す ほ ど 濡 れ 性 が 改 善 さ れ る こ と を 見 い だ し た 。 し か し 、 A1203はAトLiお よ び AトMg合金と反応し、基盤表層部にそれぞれLiAI02、MgA1204が生成された。 IMAによる深さ方 向分析により、反応層は973K、0"'‑'1. 2ks保持で0.02"'‑'0.14μmの厚さに成長することが明らかに なった。なお、溶融Alへの1"'‑'6おNi、5.5%Cu、10児Si、0.17%Be、0.15児Ti、0.47知f、O.ll%Zr添加 は濡れ性にほとんど影響を及ぼさない。
次に基盤表面を金属被覆することで濡れ性の改善を図った。 A1203表面ヘイオンプレーティン グ法により金属Ni、無電解めっき法により Cuを被覆すると、溶融Alに対する濡れ性は大幅に改善 されるが、金属皮膜が薄いと高温では凝集してA1203基盤が露出し、濡れ性の改善効果が低下す ることを見いだした。すなわち、 NiコーティングしたA1203基盤と溶融Alの接触角は温度によっ て決まる臨界膜厚以上では100 以下まで低下して濡れ性が著しく改善され、この臨界膜厚は973K では約0.1μm、1073Kでは0.5μm、1173Kでは0.8μmであり、高温ほど大きい値であった。無電解 銅めっきの場合は、 A1203基盤に対する皮膜の付着力が低いことから、イオンプレーティングの 場合よりもやや厚い被覆が必要であった。無電解銅めっきしたA1203繊維プリフォームと溶融Al
との濡れ性は、高温での金属皮膜の凝集に加え繊維体積率および繊維の分布状態によっても影響 され、繊維体積率が15vol児では973Kで0.5μ、皿 1073Kで1.4μm以上の膜厚で溶融Alは全て自発的 に繊維間に溶浸した。
維のアスペクト比、充填率から決まる水力半径と繊維/溶湯聞の接触角により決定され、水力半 径が小さくなるほど、また接触角が大きくなるほど高い圧力を要する。 Al合金溶湯の圧入過程に おける溶浸圧力プロファイル(圧力一圧入距離関係)から繊維プリフォームの平均的パーミアビリ テイおよび実効繊維径を求め、表面張力による圧力項を考慮、したDarcyの式により圧入過程を解 析し、圧力プロファイルの平均的挙動を合理的に説明できることを示した。さらに、実際のプリ
フォーム内では水力半径(Rh)とパーミアピリティ (K)が場所ごとに異なっているので、プリフ オーム内での RhとKの分布を考慮、して、分散分析的手法を用いて解析することにより、実測値 とほぼ一致した圧力プロファイルが得られることを示した。 RhとKが小さい領域は、最終溶浸 部となり、溶浸圧力が臨界圧力以下の場合にはAl溶湯は繊維間隙を満たすことができず、気孔な
どの鋳造欠陥となることを示した。
最後に、液相法による複合材料の製造はマトリックスの組織制御により完了するので、明瞭な デンドライトを形成できるAl‑Cu合金とAlz03長繊維を用いて加圧溶浸法により複合し、繊維配列 方向に一方向凝固させマトリックスの組織形成に及ぼす繊維の影響を研究した。 A1203長 繊 維 /
Al‑Cu合金複合材料の繊維充填率は10""'.，;60vol%としたが、繊維充填率の高い領域では共品量も多 い傾向にあった。この原因としては、繊維の熱伝導率が小さく、繊維近傍の溶融金属は他のバル クの部分より遅れて冷却され、また初晶α相は繊維に対して濡れ性が悪いので、初晶が繊維を避 けて核生成および成長した結果、繊維近傍が最後に凝固して共晶が増すと考えられた。マトリッ クスの組織は繊維充填率および繊維の分散状態に大きく依存し、 20vol%以下ではデンドライト 1次および2次アームスペーシングはバルクの値に近く試料組成と凝固条件で決まり、繊維はデン ドライトの成長にはほとんど影響を及ぼさない。繊維充填率が約50voはまで高くなるとデンドラ イトは繊維により成長を妨げられた組織となり、さらに充填率が60vol%ではマトリックスが数本 の繊維により閉ざされた領域が生じ、この領域では側枝がない柱状結品が生成した。この繊維充 填率が高い領域では、初晶内の溶質元素はバルクの値より高くかっ均質に分布しており、繊維に よって初晶デンドライトの成長が妨げられるととともに溶質元素の均質化がより速く起こること を見いだした。
以上の結果は、スクイズキャストやVortex法などの液相法による複合化における組織制御上の 基本的智見である。本研究ではA1203‑SiOz系セラミックスとAl合金の組み合わせで実験したが、
本研究で用いた実験手法は、他の材料の組み合わせについても同様に適用しうるものである。今 後、この分野の研究を進めて複合材料の設計、製造法を確立していきたいと考えている。
謝 辞
本研究の遂行にあたり、ご指導とご配慮を賜りました九州大学工学部材料工学科大城桂作教授 に衷心より感謝の意を表します。
また、論文校閲の労をとられ、貴重なご助言を賜りました材料工学科根本 実教授、森 克己 教授に深く感謝いたします。
実験を行なうにあたり、適切な助言をいただいた森 信幸助手、試料の化学分析、 EPMAお よびSIMS分析、実験装置の作製にご協力をいただいた村井典子教務員、若杉孝三技官、西畑 義則技官に深く感謝致します。
平成5年10月
著 者
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