(57)【要約】【課題】アルミニウムと炭素材との密着性の改善を図ることができるアルミニウム炭素複合材の製造方法。【解決手段】アルミニウム炭素複合材の製造方法は、プラズマ処理工程ＳＴ１と、ダイカスト鋳造工程ＳＴ２とを備える。プラズマ処理工程ＳＴ１では、複数の炭素材Ｗ１をプラズマ処理して、複数の炭素材Ｗ１の各表面に親水基を付与する。ダイカスト鋳造工程ＳＴ２では、親水基が付与された複数の炭素材Ｗ１０を、ダイカスト金型Ｍ１、Ｍ２内に配置して、ダイカスト金型Ｍ１、Ｍ２内においてアルミニウム溶湯に所定の圧力をかけるダイカスト鋳造を行う。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の炭素材をプラズマ処理して、前記複数の炭素材の各表面に親水基を付与し、
前記親水基が付与された前記複数の炭素材を、ダイカスト金型内に配置して、前記ダイカスト金型内においてアルミニウム溶湯に所定の圧力をかけるダイカスト鋳造を行う、
アルミニウム炭素複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアルミニウム炭素複合材の製造方法に関し、特に、複数の炭素材を備えるアルミニウム炭素複合材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、炭素繊維束を、水素ガスまたは不活性ガスのプラズマで処理した後、窒化チタン膜を成膜し、次いで、金属との複合化を行う金属炭素繊維複合体の製造方法が開示されている。この金属との複合化は、例えば、炭素繊維束をアルミニウムの融液に浸漬することによって行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６８２８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者等は、上記した金属炭素繊維複合体の製造方法について、以下の課題を発見した。
【０００５】
アルミニウム炭素複合材の熱伝導性を保持すべく、アルミニウムと炭素繊維との密着性のさらなる向上が要求されている。上記した金属炭素繊維複合体の製造方法では、アルミニウムの融液が炭素繊維束の内側に十分に入り込まないことが有った。そのため、アルミニウムと炭素繊維との密着性について改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、アルミニウムと炭素材との密着性の改善を図るものとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法は、
複数の炭素材をプラズマ処理して、前記複数の炭素材の各表面に親水基を付与し、
前記親水基が付与された前記複数の炭素材を、ダイカスト金型内に配置して、前記ダイカスト金型内においてアルミニウム溶湯に所定の圧力をかけるダイカスト鋳造を行う。
【０００８】
このような構成によれば、炭素材の表面が親水基を付与され、濡れ性が高められたまま、ダイカスト金型内に配置される。さらに、ダイカスト金型内においてアルミニウム溶湯に所定の圧力をかけるダイカスト鋳造を行う。そのため、アルミニウム溶湯が炭素材同士の間に十分に入り込む。また、アルミニウム溶湯が炭素材と接触してから凝固するまでに経過する時間が短く、アルミニウム酸化物がアルミニウムと炭素材との界面において発生し難い。これらによって、アルミニウムと炭素材との密着性の改善を図ることができる。そのため、アルミニウム炭素複合材の熱伝導性や機械的強度を保持することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、アルミニウムと炭素材との密着性の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法の一工程を示す概略図である。
【図２】実施の形態１に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法の一工程の一例を示す模式図である。
【図３】実施の形態１に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法によるダイカスト鋳造品の一具体例を示す模式図である。
【図４】実施の形態１に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法によるダイカスト鋳造品の他の一具体例を示す模式図である。
【図５】実施例に係る平板状テストピースの破面を示すＳＥＭ写真である。
【図６】実施例に係る平板状テストピースの破面の元素マッピングによる像である。
【図７】実施例に係る平板状テストピースの破面を示すＳＥＭ写真である。
【図８】実施例に係る炭素繊維を示すＳＥＭ写真である。
【図９】比較例に係る平板状テストピースの破面を示すＳＥＭ写真である。
【図１０】比較例に係る平板状テストピースの破面の元素マッピングによる像である。
【図１１】比較例に係る平板状テストピースの破面の元素マッピングによる像である。
【図１２】比較例に係る炭素繊維を示すＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１２】
（実施の形態１）
図１〜図４を参照して実施の形態１に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法について説明する。図１は、実施の形態１に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法の一工程を示す概略図である。図２は、実施の形態１に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法の一工程の一例を示す模式図である。図３は、実施の形態１に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法によるダイカスト鋳造品の一具体例を示す模式図である。図４は、実施の形態１に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法によるダイカスト鋳造品の他の一具体例を示す模式図である。
【００１３】
図１に示すように、複数の炭素材Ｗ１にプラズマ処理を実施する（プラズマ処理工程ＳＴ１）。
【００１４】
複数の炭素材Ｗ１は、炭素（カーボン）からなる多種多様な形状を有する複数の部材であればよく、例えば、炭素繊維束、グラファイトシートである。複数の炭素材Ｗ１として、市販された炭素繊維束、グラファイトシートを利用してもよい。
【００１５】
プラズマ処理は、例えば、直接型リアクタを用いて減圧プラズマ処理を実施してもよいが、間接型リアクタを用いて大気圧プラズマ処理を実施するとさらによい。直接型リアクタでは、例えば、複数の炭素材Ｗ１をプラズマ中に走査させることによって、直接的にプラズマを炭素材Ｗ１に照射し、プラズマ処理を行う。間接型リアクタでは、例えば、ガスを複数の炭素材Ｗ１に吹き付けることによって、間接的にプラズマを炭素材Ｗ１に照射し、プラズマ処理を行う。このガスとして、例えば、窒素ガスや空気等を利用することができる。間接型リアクタを用いて大気圧プラズマ処理を実施した場合、複数の炭素材Ｗ１に損傷を殆ど発生させることなく、複数の炭素材Ｗ１の表面Ｗ１ａを洗浄し、親水基を複数の炭素材Ｗ１の表面Ｗ１ａに形成する。
【００１６】
プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０は、炭素材Ｗ１と、炭素材Ｗ１の表面Ｗ１ａ上に形成された親水基を備える。親水基は、例えば、ヒドロキシル基（−ＯＨ）やオキシ基（−Ｏ）である。プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０は、炭素材Ｗ１の表面Ｗ１ａ上に親水基を備えるから、アルミニウムとの濡れ性が良好である。
【００１７】
続いて、プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０をダイカスト金型内に配置した後、アルミニウム溶湯を用いてダイカスト鋳造を行う（ダイカスト鋳造工程ＳＴ２）。
【００１８】
ダイカスト鋳造工程ＳＴ２の一具体例では、図２に示すように、プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０をダイカスト金型Ｍ１、Ｍ２内のキャビティＣ１に配置する。
【００１９】
ダイカスト鋳造では、まず、ダイカスト金型Ｍ１、Ｍ２において、アルミニウム溶湯は、ゲートＧ１からキャビティＣ１に流入し、キャビティＣ１を充満した後、ベントＶ１へ流れる。アルミニウム溶湯は、具体的には、ゲートＧ１におけるキャビティＣ１側の外縁から延びる流入平面Ｌ０に沿って、キャビティＣ１側に流入する。
【００２０】
プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０の主面が流入平面Ｌ０と略平行に延びるように、プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０が配置されているとよい。これによって、アルミニウム溶湯が、プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０に直撃することなく、プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０の主面に沿って流れる。
【００２１】
また、流入平面Ｌ０に対してキャビティＣ１側に角度α傾斜する平面Ｌ２０がある。角度αは、２０°以上であるとよい。
【００２２】
プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０におけるゲートＧ１側の端部Ｗ１０ａは、ゲートＧ１と平面Ｌ２０を挟むとよい。平面Ｌ２０は、端部Ｗ１０ａとゲートＧ１との間に位置するとよい。
【００２３】
これらによって、プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０の破壊や損傷を抑制し、熱伝導性及び機械的強度を保持することができる。プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０を所望の位置からずれることを抑制し、所望の位置に配置させたままダイカスト鋳造を実施することができる。
【００２４】
ダイカスト鋳造における鋳造条件として、アルミニウム溶湯の温度は、所定の値以下、例えば、７００℃以下であるとよい。冷却速度は、所定の値以上、例えば、７０℃／ｓｅｃ以上であるとよい。これによって、プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０と接触するアルミニウム溶湯の温度を所定の温度以下に抑えたり、その接触時間を短縮したりして、Ａｌ４Ｃ３、他の金属間化合物が生成することを抑制することができる。また、金属間化合物の生成を抑制することによって、アルミニウムとプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０との複合材の高熱伝導率及び機械的強度を確保する。
【００２５】
ダイカスト鋳造における鋳造条件として、鋳造圧力は、所定の値以上、例えば、３０ＭＰａ以上であるとよい。これによって、アルミニウム溶湯がプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０に所定の圧力で押し当てられ、アルミニウムとプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０との密着性が向上する。従って、アルミニウムとプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０との複合材の高熱伝導率及び機械的強度を確保する。
【００２６】
アルミニウム溶湯の流入速度は、所定の値以下、例えば、１００ｍ／ｓｅｃ以下であるとよい。これによって、アルミニウム溶湯の慣性力を抑制して、プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０の破壊や損傷を防止することができる。アルミニウム溶湯の流入速度を抑えて、冷却速度Ａｌ４Ｃ３、他の金属間化合物が生成することを抑制することができる。また、金属間化合物の生成を抑制し、アルミニウムとプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０との複合材の高熱伝導率及び機械的強度を確保する。
【００２７】
ダイカスト鋳造品は、多種多様な形状を有する。図３に示すように、ダイカスト鋳造品は、例えば、長手方向における長さＬＰ１を有する平板Ｐ１であってもよい。プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０は、長尺の平板であり、平板Ｐ１の内部に埋入され、平板Ｐ１のアルミニウムと複合化している。平板Ｐ１は、アルミニウムとプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０との複合材であるから、高熱伝導率及び機械的強度を備える。
【００２８】
また、図４に示すように、ダイカスト鋳造品は、例えば、幅Ｗ２、奥行きＤ２、高さＨ２を有する箱状体Ｐ２であってもよい。プラズマ処理済み炭素材Ｗ１０は、箱状体Ｐ２の底部に埋入され、箱状体Ｐ２の底部の内部のアルミニウムと複合化している。箱状体Ｐ２は、アルミニウムとプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０との複合材であるから、高熱伝導率及び機械的強度を備える。なお、平板Ｐ１及び箱状体Ｐ２は、適宜、ゲート部等を取り除いたり、仕上げ加工したりすることによって、製品として利用することができる。
【００２９】
以上より、複数のプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０の表面が親水基を付与され、濡れ性が高められたまま、ダイカスト金型Ｍ１、Ｍ２内に配置される。さらに、ダイカスト金型Ｍ１、Ｍ２内においてアルミニウム溶湯に所定の圧力をかけるダイカスト鋳造を行う。そのため、アルミニウム溶湯がプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０同士の間に十分に入り込む。また、ダイカスト鋳造を行うことによって、アルミニウム溶湯がプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０と接触してから凝固するまでに経過する時間が短く、アルミニウム酸化物がアルミニウムとプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０との界面において発生し難い。これらによって、アルミニウムとプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０との密着性の改善を図ることができる。また、アルミニウム酸化物がアルミニウムとプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０との界面において殆ど発生しておらず、アルミニウムとプラズマ処理済み炭素材Ｗ１０とがしっかり密着しているため、アルミニウム炭素複合材の熱伝導性の損失を抑制することができる。
【実施例】
【００３０】
次に、図５〜図１２を参照して実施の形態１に係るアルミニウム炭素複合材の製造方法の実施例について説明する。図５は、実施例に係る平板状テストピースの破面を示すＳＥＭ写真である。図６は、実施例に係る平板状テストピースの破面の元素マッピングによる像である。図７は、実施例に係る平板状テストピースの破面を示すＳＥＭ写真である。図８は、実施例に係る炭素繊維を示すＳＥＭ写真である。図９は、比較例に係る平板状テストピースの破面を示すＳＥＭ写真である。図１０は、比較例に係る平板状テストピースの破面の元素マッピングによる像である。図１１は、比較例に係る平板状テストピースの破面の元素マッピングによる像である。図１２は、比較例に係る炭素繊維を示すＳＥＭ写真である。
【００３１】
図６は、図５に示す破面の元素マッピングによる像である。図７は、図６に示すＳＥＭ写真を拡大したＳＥＭ写真である。図１０は、図９に示す破面の元素マッピングによる像である。図１１は、図１０を拡大した像である。
【００３２】
本実施例において、プラズマ処理工程ＳＴ１に相当するプラズマ処理工程の条件は、窒素３．７４Ｌ／ｍｉｎ、空気１２５ｍＬ／ｍｉｎ、移動速度６．２５ｍｍ／ｓｅｃ、照射距離２ｍｍとした。市販されたプラズマ処理装置を用いて、当該プラズマ処理工程を実施した。炭素材Ｗ１として、市販の炭素繊維束を用いた。
【００３３】
また、ダイカスト鋳造工程ＳＴ２に相当するダイカスト鋳造工程の条件では、アルミニウム溶湯とした用いたアルミニウム合金ＡＤＣ１２、アルミニウム溶湯の温度７００℃、プランジャ低速速度０．１ｍ／ｓｅｃ、プランジャ高速速度２．０ｍ／ｓｅｃ、高速区間３８ｍｍ、昇圧時間２５ｓｅｃ、ダイタイム６ｓｅｃとした。ダイカスト鋳造工程ＳＴ２では、図３に示す平板Ｐ１と同じ形状を有する平板状テストピースをダイカスト鋳造した。このダイカスト鋳造した平板状テストピースの厚みは、３ｍｍであった。
【００３４】
なお、比較例では、上記したプラズマ処理工程を省略したことを除いて、上記した実施例と同じ製造方法を用いた。
【００３５】
実施例に係る平板状テストピースの破面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察した。その観察によるＳＥＭ写真の一例を図５及び図７に示し、ＥＤＸによる画像の一例を図６に示した。なお、比較例に係る平板状テストピースの破面をＳＥＭを用いて観察した。ＳＥＭ写真の一例を図９に示し、ＥＤＸによる画像の一例を図１０及び図１１に示した。
【００３６】
さらに実施例に係る平板状テストピースを苛性ソーダを用いて溶かし、残存した炭素繊維をＳＥＭを用いて観察した。その観察によるＳＥＭ写真の一例を図８に示した。なお、同様に、比較例に係る平板状テストピースを苛性ソーダを用いて溶かし、残存した炭素繊維をＳＥＭを用いて観察した。その観察によるＳＥＭ写真の一例を図１２に示した。
【００３７】
図５及び図６に示すように、実施例に係る平板状テストピースの破面において、炭素繊維束の炭素繊維（Ｃ）同士の間にアルミニウム（Ａｌ）が存在していることを確認することができた。
【００３８】
図７に示すように、アルミニウム（Ａｌ）が、炭素繊維の外周及び繊維の隙間を被覆し、かつ湿潤している。言い換えると、アルミニウムが炭素繊維としっかり密着している。
この繊維の隙間は、約２μｍである。
【００３９】
一方、図９及び図１０に示すように、比較例に係る平板状テストピースの破面ではアルミニウム（Ａｌ）があまり見当たらない。具体的には、領域Ａ９１では、炭素繊維束の炭素繊維（Ｃ）同士の間にアルミニウム（Ａｌ）が殆ど見当たらない。領域Ａ９２では、炭素繊維束の炭素繊維（Ｃ）同士の間にアルミニウム（Ａｌ）が一部存在していることを確認することができた。
【００４０】
図１１に示すように、アルミニウム（Ａｌ）が、炭素繊維ＣＦ９から剥がれ落ちたことを確認することができた。また、比較例に係る平板状テストピースの破面において、全体にマグネシウム（Ｍｇ）が検出されている。このことから、マグネシウム（Ｍｇ）は、炭素（Ｃ）と親和性が高いため、炭素繊維内に残存したと推測される。また、アルミニウム（Ａｌ）は、マグネシウム（Ｍｇ）と比較して炭素（Ｃ）と親和性が低いため、炭素繊維から剥がれ落ちたと推測される。言い換えると、アルミニウムが炭素繊維と密着していない。
【００４１】
図８に示すように、実施例に係る炭素繊維ＣＦ１の表面は略全て露出している。つまり、実施例に係る炭素繊維ＣＦ１の表面において、付着物をあまり確認することができなかった。炭素繊維ＣＦ１は、アルミニウムとしっかり密着していたと推測される。
【００４２】
一方、図１２に示すように、比較例に係る炭素繊維ＣＦ９１の表面において、酸化アルミニウム等の付着物を確認することができた。炭素繊維ＣＦ９１の表面には、多量の酸化アルミニウムが発生し、アルミニウムと炭素繊維ＣＦ９１との密着性が不良であると推測される。
【００４３】
実施例に係る平板状テストピースの断面画像から、炭素繊維と、アルミニウムとの間の空隙率を求めた。この空隙率は、１．７％であったことから、炭素繊維とアルミニウムとの間には、空隙が少ない。よって、炭素繊維とアルミニウムとは、しっかり密着しているため、実施例に係る複合材は、高熱伝導率と高強度とを有すると推測される。
【００４４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
ＳＴ１  プラズマ処理工程                        ＳＴ２  ダイカスト鋳造工程  
Ｃ１  キャビティ                                Ｇ１  ゲート  
Ｍ１、Ｍ２  ダイカスト金型                      Ｗ１、Ｗ１０  炭素材  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2020116614.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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