(57)【要約】【課題】  光触媒機能を有することが可能なＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法を提供する。【解決手段】  ＴｉＯ2粒子粉体を０．０２〜０．１ＭＰａの加圧力で加圧成形してＴｉＯ2の体積比率が２０〜４０％のプリフォームを形成し、前記プリフォームに温度９２３〜１１２３Ｋのアルミニウム溶湯を５〜１０ＭＰａの加圧力で加圧浸透させることを特徴とする、ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法。アルミニウム溶湯を加圧浸透させると同時に、急冷することが好ましく、前記ＴｉＯ2粒子の粒子径は０．１〜２．０μmであることが好ましい。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉＯ2粒子粉体を０．０２〜０．１ＭＰａの加圧力で加圧成形してＴｉＯ2の体積比率が２０〜４０％のプリフォームを形成し、前記プリフォームに温度９２３〜１１２３Ｋのアルミニウム溶湯を５〜１０ＭＰａの加圧力で加圧浸透させることを特徴とする、ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法。
【請求項２】
アルミニウム溶湯を加圧浸透させると同時に、急冷することを特徴とする、請求項１記載のＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記ＴｉＯ2粒子の粒子径が０．１〜２．０μmであることを特徴とする、請求項１又は２記載のＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴｉＯ2（チタニア）／Ａｌ（アルミニウム）基複合材料の製造方法に関する。より詳細には、光触媒機能を有することが可能なＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平４−３５１２５８
【特許文献２】特開平８−１７６７０３
【０００３】
複合材料は異なる二つ以上の相を混在させることにより、単一相にはない特性を持たせることができる。
【０００４】
特許文献１には、密閉された鋳型内に鋳型容積の５〜１０％に相当する体積を持つ粉末粒子を挿入しておき、この鋳型内にマトリックス金属の溶湯を噴射して、マトリックス金属内に粉末粒子を分散させた後、高圧付加状態のまま鋳型底部より一方向凝固させる、低体積率粒子分散型複合材料の製造方法が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、ＴｉＯ2粒子で造粒粉を作り、該造粒粉で作成したプリフォームにＡｌ合金を加圧含浸させ、Ａｌ合金の領域が全体で体積率２０〜９５％、残部は中実又は中空の球状又は不規則形状のチタニア粒子とＡｌ合金との複合領域からなり、かつ複合材料全体としてＴｉＯ2粒子の体積率が３０％以下となるように処理する、ＴｉＯ2を強化材とするＡｌ基複合材料の製造方法が開示されている。
【０００６】
一方、ＴｉＯ2は、優れた光触媒活性によって注目されている材料である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に開示された粒子分散型複合材料の製造方法においては、分散される粉末粒子（強化材）としてアルミナ粉末又はウィスカの例が開示されているのみで、光触媒活性を発揮する程度の高い体積比率にまでＴｉＯ2粒子を分散させて複合させた例は開示されていない。
【０００８】
また、上記特許文献２に開示されたＡｌ基複合材料の製造方法においては、比較的高い体積比率にまでＴｉＯ2粒子を分散させているが、複雑な造粒粉作成工程を経ているうえに、プリフォーム成形にバインダーが必要であり、ＴｉＯ2粒子の表面がＡｌと反応して金属間化合物を生成して、ＴｉＯ2の光触媒機能が発揮できない。
【０００９】
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、光触媒機能を有することが可能なＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、Ａｌ2０3、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴｉＯ2などの酸化物セラミックス粒子を強化粒子として母相であるＡｌ又はＡｌ合金に分散させて、Ａｌ基複合材料の作製について研究をおこなっており、作製条件、時効による硬さ変化、時効組織の観察、Ａｌ母相と強化粒子との反応がこれらの組織に与える影響等の、複合材料の一連の研究から、低体積率のＴｉＯ2粒子を分散させたＡｌ合金基複合材料の作製に成功している。より高体積率のＴｉＯ2粒子を分散させたＡｌ母相の複合材料の作製に成功すれば、光触媒機能を持たせることが期待できる。
【００１１】
そこで、後述するプレパックプレス法により、ＴｉＯ2粒子を分散させたＡｌ母相の複合材料の作製を試みたところ、プリフォーム作成時の加圧力とＴｉＯ2粒子の粒子径とを調節することにより、得られるプリフォームに対するＴｉＯ2粒子の体積比率を制御することができ、比較的高い体積比率までＴｉＯ2粒子を均一に分散させた複合材料を作製することができた。また、加圧浸透時の種々の条件を鋭意検討し、このＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の微細組織および光触燥活性について調査した結果、Ａｌ母相とＴｉＯ2粒子との界面の接合が良好で、光触媒活性を有し、より高強度なＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料であることが判明した。
【００１２】
すなわち、本発明は、ＴｉＯ2粒子粉体を０．０２〜０．１ＭＰａの加圧力で加圧成形してＴｉＯ2の体積比率が２０〜４０％のプリフォームを形成し、前記プリフォームに温度９２３〜１１２３Ｋのアルミニウム溶湯を加圧浸透させることを特徴とする、ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法である。
【００１３】
プリフォームを作成する際においては、ＴｉＯ2粒子の平均粒子径や加圧力を調整することにより、光触媒機能を維持するに好適なように、ＴｉＯ2の体積比率を比較的高く調節して、圧粉体からなる所望のバルク形状のプリフォーム形成することが可能となる。
【００１４】
プリフォームにアルミニウム溶湯を加圧浸透させる際においては、予め加熱した金型にそのプリフォームを挿入することが好ましい。例えば、金型を予備加熱炉にて８２３〜１０２３Ｋに加熱する。この場合、金型加熱時間は、９０〜１８０秒で充分である。
【００１５】
アルミニウム溶湯の温度はその変質を防ぐため１１２３Ｋ以下が好ましく、１０９３Ｋ以下がより好ましい。低圧力でアルミニウム溶湯を浸透させるため、９２３Ｋ以上が好ましい。プリフォームに温度９２３〜１１２３Ｋのアルミニウム溶湯を加圧浸透させるには５〜１０ＭＰａの加圧力で足りる。また、アルミニウム溶湯を加圧浸透させると同時に、急冷することが好ましい。急冷することにより、アルミニウム溶湯がＴｉＯ2と反応して変質し光触媒活性が低下することを更に防止することができる。加圧浸透の時間は５分以内が好ましい。
【００１６】
本発明のＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法において、原料として用いるＴｉＯ2粒子の粒子径は０．１〜２．０μmであることが好ましい。小さ過ぎると凝集してダマになり易く、大き過ぎるとプリフォームのＴｉＯ2比率が低くなる。また、ＴｉＯ2粒子は不定形のものよりも、比較的、球形のものが好ましい。ＴｉＯ2粒子の結晶形としてはルチル構造が９０％以上のものを用いることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法によれば、大量のバインダー添加や造粉粒作成の工程なしに個々のＴｉＯ2粒子粉体から直接プリフォームを成形し、Ａｌ母相にＴｉＯ2粒子を略均一に分散させ比較的高体積率のＴｉＯ2を複合させて、光触媒機能を有するＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１９】
（プレパックプレス法によるＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の作製）
平均粒子径１．４４μｍのＴｉＯ2粒子１を、図１に示すように、内径が３０mmの筒状のプレフォーム作成用容器２に充填し、シリンダ３に分銅を載せて挿入することにより、０．０５ＭＰａの加圧力で室温にて押し固めて、直径が３０mmで高さが４７mmの円柱形状のプリフォームを作製した。ＴｉＯ2の体積比率は２１％であった。ここで用いたＴｉＯ2粒子１のＳＥＭ像を図２に示す。図３に、得られたプリフォーム１１の外観を示す。
【００２０】
予め金型１６を９２３Ｋに加熱した。ここで金型１６は、キャビティとして筒状の複合部１６ａと筒状の注入部１６ｂとを有する。複合部１６ａの内径は３３mmで、注入部１６ｂの内径は５０mmである。
【００２１】
プリフォーム１１を、予め加熱した金型１６の複合部１６ａの中に入れ、プリフォーム１１の上に黒鉛内蓋１３を置き、更に注入部１６ｂの最下部に絞り１４を挿入した。さらに金型１６を２分間８７３Ｋに加熱した。絞り１４の中心部付近に、内径１０〜１５ｍｍの大きさの孔を設けることが好ましい。ここで用いた黒鉛内蓋１３は外径が約２９mmであり、絞り１４の外径は注入部１６ｂの内径と略同じである。次にあらかじめ大気中で１０７３Ｋに溶解した９９．９９質量％純度のアルミニウム溶湯１２をこの金型１６の注入部１６ｂ中に注いだ。この時、アルミニウム溶湯１２は金型１６の上部注入部１６に止まっている。
【００２２】
図４に示すように、金型１６を電気炉１８に設置した。アルミニウム溶湯１２の上部より、直径５０mm、高さ４０mmの黒鉛外蓋１５にて加圧することによりプリフォーム１１中にアルミニウム溶湯１２を加圧浸透させた。黒鉛内蓋１３及び絞り１４によってアルミニウム溶湯１２がプレフォーム１１の外側面と金型１６の複合部１６ｂ内壁面との間を伝って進入し、プレフォーム１１の周りから内側に均一に浸透するように規制されている。また、金型１６を下側から水冷できるように銅製のシールジャケット１７が設けられており、これにより加圧浸透と同時に冷却水にて下部より間接強制冷却した。直径が２５mmで高さが４５mmの円柱形状のＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料からなるビレットを得た。図５にこのビレットの縦切断面を示す。図５で暗いコントラストの部分が複合している領域で、明るい部分がＡｌの多い領域である。中心付近は複合が良好であり、空隙などの鋳造欠陥も観察されていない。
【００２３】
（ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の組織観察）
このピレットをダイヤモンドカッターにて切断した後、切断面を機械研磨および電解研磨して鏡面処理し、それぞれの組織を、ＥＤＳ分析装置を備えた日立社製走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓ‐３５００Ｈ）にて加速電圧２０ｋＶの条件で操作して観察した。
【００２４】
図６は、鋳造直後のＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料における機械研磨後のＳＥＭ像である。黒い母相のようなコントラスト（ＴｉＯ2部分）と白い粒子形状のコントラスト（Ａｌ部分）が存在し、ＴｉＯ2粒子がＡｌ母相中に比較的均一に分散していることが分かる。図７は、同じくＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料における電解研磨後のＳＥＭ像である。図６及び図７からも明らかなように、ＳＥＭ観察においても気泡や空隙などの鋳造欠陥が観察されていない。
【００２５】
更に、ＴＥＭ観察用の薄膜試料を作製して、ＥＤＳ分析装置を備えたトプコン製透過型電子頭微鏡（ＴＥＭ、ＥＭ‐００２Ｂ）にて加速電圧１２０ｋＶの条件で操作して観察した。図８は、鋳造直後のＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料におけるＴｉＯ2粒子近傍のＴＥＭ明視野像であり、図９は同じＴＥＭ明視野像とＥＤＳ分析結果である。比較的丸く黒いコントラストがＴｉＯ2粒子であり、粒子とＡｌ母相の界面は比較的明瞭であり、ＴｉＯ2粒子とＡｌ母相との界面の接合が良好である様子が分かる。なお、０．１μｍ以下の薄膜試料の観察のため、ＴｉＯ2粒子の平均粒子径である１．４μｍ程度の大きい粒子は視野中に存在せず、比較的微細粒子が目立って観察される結果となっている。
【００２６】
（光触媒活性の評価）
ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料およびＴｉＯ2粒子の光触媒活性を評価した。すなわち、試料を５０mmol／Ｌのメチレンブルー溶液に１０分間浸漬して、有機色素であるメチレンブルーを試料表面に化学吸着させ、３０分のドライヤー乾燥後、図１０の構成の光触媒評価チェッカーＰＣＣ‐１（アルバック理工株式会社製）を使用して、光触媒反応によるメチレンブルーの分解に伴う吸光度変化（△ＡＢＳ）を測定した。紫外線ブラックライト１ｍＷ／ｃｍ2を使用し、照射時間は約３０分である。比較として、図１１に示すように、Ａｌ基板の上にＴｉＯ2粒子を接着して、ＴｉＯ2粒子の光触媒活性を評価した。
【００２７】
結果を図１２及び図１３に示す。光触媒の測定においてＴｉＯ2粒子では紫外線照射と共に△ＡＢＳの値が減少し、試料表面のメチレンブルーが光触媒反応によって分解されていることを示している。また、ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料においてはＴｉＯ2粒子の場合よりも低下するものの紫外線の照射時間とともに△ＡＢＳの値が減少し、試料表面のメチレンブルーが光触媒反応によって分解されていることが示された。ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料はＴｉＯ2粒子と同様に光触媒活性を持つことがわかった。また、このＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の光触媒活性は市販のチタニア光触媒スプレーを塗布したものよりもよい結果を示した。
【００２８】
（熱伝導率の評価）
熱伝導率の評価結果を図１４に示す。得られたＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の熱伝導率は純アルミニウムよりも低いことが分かる。
【００２９】
（熱電能の評価）
熱電能の評価結果を図１５に示す。
【００３０】
（硬度の評価）
得られたＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料のマイクロビッカース硬さは１８３ＨＶであった。９９．９９質量％純度のアルミニウムのマイクロビッカース硬さは２０ＨＶであるので、ＴｉＯ2粒子で複合化することにより大幅に高硬度化されたことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明により得られるＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料は、バルク成形が可能であり、更に、押出成形、圧延成形、切削加工が可能で、板材やパイプ材、その他各種の形状に成形が可能であるので、内外装用アルミパネル等の部材の材料としての利用が期待できる。ＴｉＯ2とＡｌの複合材料では、両者が反応してチタニアが変質することが問題となるが、本発明のＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の製造方法では、製造条件のコントロールによりこの反応を抑えることができた。
【００３２】
本発明により得られるＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料は、加工製品にしても良好な光触媒機能が得られ、熱伝導性が低く、硬さが高いので、上記部材に対して防汚・除菌の機能とあたたかみのある触感を付与することができ、耐熱性・耐摩耗性の改善等が期待できる。自浄作用や防汚特性が求められる内外装材、道路資材、配管などに応用できることが期待される。また、光触媒機能を表面処理で付加した材料と異なり、表面を破損しても下地にチタニア粒子があることから、長期間にわたって光触媒機能を保持できるので、従来の表面処理による光触媒機能の付加との併用で半永久的に使用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、プリフォーム形成に用いた容器１及びシリンダ２を示す概略図である。
【図２】図２は、実施例で用いたＴｉＯ2粒子のＳＥＭ像である。
【図３】図３は、得られたプリフォームの外観である。
【図４】図４は、実施例において使用した製造装置の概略断面図である。
【図５】図５は、実施例で得られたＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料からなるビレットの縦切断面を示す写真である。
【図６】図６は、実施例で得られたＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の機械研磨後のＳＥＭ像とＥＤＳ分析結果である。
【図７】図７は、実施例で得られたＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の電解研磨後のＳＥＭ像である。
【図８】図８は、実施例で得られたＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料のＴｉＯ2粒子近傍のＴＥＭ明視野像である。
【図９】図９は、同じＴＥＭ明視野像とＥＤＳ分析結果である。
【図１０】図１０は、ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の光触媒機能の評価方法を示す概略図である。
【図１１】図１１は、比較としてＴｉＯ2の光触媒機能の評価方法を示す概略図である。
【図１２】図１２は、ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の光触媒活性の測定結果(その１) を示すグラフである。
【図１３】図１３は、ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料の光触媒活性の測定結果(その２) を示すグラフである。
【図１４】図１４は、ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料及び純アルミニウムの熱伝導率の測定結果を示すグラフである。
【図１５】図１５は、ＴｉＯ2／Ａｌ基複合材料及び純アルミニウムの熱伝能の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１：ＴｉＯ2粒子、２：プレフォーム作成用容器、３：シリンダ、１１：プレフォーム、１２：アルミニウム溶湯、１３：黒鉛内蓋、１４：絞り、１５：黒鉛外蓋、１６：金型、１６ａ：複合部、１６ｂ：注入部、１７：ウォータージャケット、１８：電気炉
【図１】
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【図４】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図２】
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【図３】
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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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