(57)【要約】【課題】弾性率を低下させたアルミニウム基複合材料を製造する方法、該方法により得られた低弾性率のアルミニウム基複合材料及びこれを用いた製品を提供する。【解決手段】低弾性率炭素繊維の長繊維及び短繊維並びに低弾性率炭素粒子のうちの一種以上の炭素成分を強化材料とし、純アルミニウム及び／又はアルミニウム合金であるアルミニウム金属をマトリックスとして、該アルミニウム金属に、該炭素成分を体積含有率が５〜８０％になるように配合し、粉末冶金法、溶湯鍛造法、溶湯撹拌法，コンポキャスト法、鋳造法又は高温塑性加工法で複合化することを特徴とする、弾性率を低下させたアルミニウム基複合材料を製造する方法、該方法で得られた低弾性率アルミニウム基複合材料及びこれを用いた製品。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低弾性率の炭素繊維の長繊維及び短繊維並びに炭素粒子のうちの一種以上の炭素成分を強化材料とし、純アルミニウム及び／又はアルミニウム合金のアルミニウム金属をマトリックスとして、弾性率を低下させたアルミニウム基複合材料を製造する方法であって、アルミニウム金属に、上記炭素成分を体積含有率が５〜８０％になるように配合し、複合化することを特徴とする、低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
【請求項２】
炭素成分が、アモルファスであることを特徴とする、請求項１に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
【請求項３】
アルミニウム合金が、２０００系、５０００系、６０００系及び７０００系のアルミニウム合金、メゾ−１０及びメゾ−２０である高強度アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金並びにＡｌ−Ｌｉ系合金のうちの１種以上であることを特徴とする、請求項１に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。  
【請求項４】
粉末冶金法、溶湯鍛造法、溶湯攪拌法、コンポキャスト法、鋳造法又は高温塑性加工法で複合化することを特徴とする、請求項１に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
【請求項５】
複合化した後に、温度２００〜６５０℃、押出比２以上で押出加工を加えて、加工することを特徴とする、請求項１に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
【請求項６】
複合化した後に、そのままの状態で、又は金属板若しくは金属管に挟み、２００〜５５０℃の温度に加熱し、歪量１.０〜４.０になるまで圧延加工を加え、加工することを特徴とする、請求項１に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
【請求項７】
複合化した後に、２００〜６５０℃の温度で、塑性歪み０.１以上で熱間鍛造するか、又はその熱間鍛造後、圧延加工若しくは押出加工を加えて、加工することを特徴とする、請求項１に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の方法により製造された低弾性率アルミニウム基複合材料であって、炭素繊維の長繊維及び短繊維並びに炭素粒子のうちの一種以上の炭素成分を強化材料とし、純アルミニウム及び／又はアルミニウム合金であるアルミニウム金属をマトリックスとして、アルミニウム金属に、上記炭素成分を体積含有率が５〜８０％になるように配合し、複合化して、弾性率を低下させたことを特徴とする、低弾性率アルミニウム基複合材料。
【請求項９】
請求項８に記載の、低弾性率アルミニウム基複合材料を構成要素として含むことを特徴とする低弾性率製品用構造部材。
【請求項１０】
製品が、ゴルフクラブ、ロボット、メガネフレーム、バネ、福祉機器用車椅子又は人工骨補助材であることを特徴とする、請求項９に記載の構造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム金属の弾性率を低下させたアルミニウム基複合材料に関するものであり、更に詳しくは、低弾性率の炭素繊維、或は炭素粒子を強化材として含み、かつ、粉末冶金法、溶湯鍛造法、溶湯撹拌法，コンポキャスト法、鋳造法又は高温塑性加工法で製造した、弾性率を低下させたアルミニウム基複合材料及びその製造方法に関するものである。本発明は、実用的な構造部材の材料として広く使用されているアルミニウム基複合材料の技術分野において、従来の複合材料は、弾性率をできるだけ向上させることを目標として開発されたものが一般的であり、低弾性率材料として実用に供し得るアルミニウム基複合材料の開発例は見当たらなかったことを踏まえ、低弾性率材料としてのアルミニウム基複合材料を製造することを可能とする新規低弾性率炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の製造方法及びその製品を提供するものである。本発明は、例えば、メガネ、ゴルフクラブ、ロボット、バネ材料、福祉機器用車椅子、人工骨補助材などの製品に好適に使用することができる新規アルミニウム基複合材料を提供するものとして有用である。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム基複合材料は、比強度及び比弾性率が高く、耐熱性及び耐摩耗性に優れ、また、熱的寸法安定性があることから、各種構造部材、例えば、航空宇宙分野や自動車・鉄道車両等の輸送機器分野での構造物、機械部品や半導体用の筐体などへの応用が図られてきた。しかし、近年は、このアルミニウム基複合材料は、車椅子やロボットの構造体或いは歯根等の医療福祉機器への応用が期待されている。例えば、人間型のロボットの開発が、著しく進展してきたが、ロボットの開発では、軽量で、高強度の素材を用いてその構造を造ることが重要であり、例えば、高強度アルミニウム、プラスチック、或いはその複合材料の利用が期待されている。現在は、ステンレス等の鉄鋼材料も、ロボットの手や指に用いられている。しかし、ロボットが、ステンレス製の手で対象物、例えば、卵等を掴もうとすると、力の加減が難しく、卵等を割ってしまい易いという問題がある。従って、人間の骨に近い弾性率の素材を用いてロボットの手や指を作製することが求められる。また、メガネのフレームとしては、Ｔｉ−Ｎｉ形状記憶合金が用いられている。しかし、現状では、Ｔｉ−Ｎｉ形状記憶合金は、コストが高く、新しい素材の開発が求められる。
【０００３】
また、自動車のバネ材料としては、バネ鋼が、優れたバネ特性の素材として実用的に用いられており、また、グラスファイバー強化プラスチック複合材料（ＧＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック複合材料(ＣＦＲＰ)が、実用的に用いられている。しかし、従来、アルミニウムのバネ材料としての利用は、自動車では、見られない。また、ゴルフクラブには、チタン、アルミニウム複合材料、セラミックス等の多くの素材が用いられているが、ゴルフクラブなどのスポーツ用品には、高機能性が重要であるため、ゴルフクラブには、パターで、更に、新しい素材の製品が要求されている。
【０００４】
また、医療福祉機器として、例えば、電気動力式車椅子や人力で動く車椅子がある。車椅子は、重量が、軽いことが大切であり、また、人に優しい素材を用いることも重要であり、プラスチックなどが用いられている。しかし、プラスチックは、金属に比べ、強度や耐久性に劣ることが欠点であり、新しい複合材料の開発が求められる。    
【０００５】
このように、ロボットやスポーツ用品及び医療福祉機器などの分野は、高い強度と同時に、人体への馴染みやすさ、しなやかさ、即ち、人間の骨の弾性率に近い、低い弾性率の材料の開発が期待されている。低い弾性率の材料としては、例えば、ゴムやプラスチックがある。しかし、ゴムやプラスチックは、強度が低く、人体の骨の代替物としてや、車椅子などの構造物の主要な部分への利用は難しい。これに対する技術的解決の一つとして、Ａｌ、Ｍｇ又はチタン、或いはそれらの複合材料等の金属合金を用いる方法が考えられる。
【０００６】
これまでに開発された、低弾性率材料としては、例えば、グラスファイバー強化プラスチック複合材料（ＧＦＲＰ）がある。グラスファイバー強化プラスチック複合材料の弾性率は、３５〜４６ＧＰａであり、自動車のスプリング材料として実用化されている。ＧＦＲＰの弾性率は、プラスチックの弾性率を強化することにより達成されている。なお、炭素繊維強化プラスチック複合材料(ＣＦＲＰ)の弾性率は、例えば、１２８ＧＰａなどの高い値であり、低弾性率材料とは言えない（非特許文献１参照）。
【０００７】
また、金属材料として、軽量の金属材料である、Ｍｇ基複合材料についてみると、その機械的性質に関しては、弾性率が５０ＧＰａ前後の値であり、低弾性率材料の一つである。例えば、ＭｇＳｉ３強化Ｍｇ複合材料は、４００ＭＰａ前後の引張強度の材料が開発され、低弾性率複合材料である(非特許文献２参照)。また、低弾性率炭素繊維（Ｅ＝５２ＧＰａ）も、低弾性率材料として、ゴルフのクラブや釣り竿への応用が図られている。しかし、アルミニウムについてみると、弾性率は、７０ＧＰａと高い。
【０００８】
更に、チタンについてみると、近年、骨代替材料としての応用を目指した開発研究が進展しており、チタン合金が、人体への埋め込み材料として期待されている。この場合、チタンの強度は、約１ＧＰａと高く、弾性率も骨の弾性率に比べ著しく高い。しかし、従来のチタンの弾性率の半分の、約６０ＧＰａの値のチタン合金が開発されてきた。このチタン合金は、超低弾性率材料と言われている（非特許文献３参照）。低弾性率高強度のチタン合金は、ゴムメタルとして、最近、商品化されている。この合金は、弾性率が３０〜６０ＧＰａで、強度は、１１００〜１６００ＭＰａである。人工骨や、シール性を生かして、機械部品のスプリングやガスケットへの応用が検討されている。これも、低弾性率金属の一種である（非特許文献４）。
【０００９】
従来、低弾性率材料として、アルミニウム複合材料は、殆ど知られていない。それは、従来、セラミックス等の強化材料をＡｌ中に複合化する目的は、Ａｌ複合材料の弾性率をできるだけ向上させることにあったためであり、Ａｌ複合材料の弾性率を下げるという発想は、今まで、あり得ない状況にあったと考えられる。即ち、従来、Ａｌ基複合材料の弾性率を下げることは、それを複合材料としては使用できない材料とすることであると考えられていた。
【００１０】
【非特許文献１】宮入  裕夫、永井  正洋、村松  篤良、「等曲げ剛性を有するGRP,CRPプリプレグシート積層板の疲労特性」、材料、昭和５４年１２月、１１８７−１１９２頁
【非特許文献２】K.Kondoh, H.Oginuma, R.Tuzuki, &  T.Aizawa、「Magnesium Matrix Composite with Solid-state Synthesized Mg2Si Dispersoids」、Materials Transactions、Vol.44, No.4(2003)、611-618頁
【非特許文献３】赤堀  俊和、新家  光雄、石水  敬大、福井  壽男、鈴木  昭弘，「生体用Ｔｉ−２９Ｎｂ−１３Ｔａ−４．６Ｚｒ合金の疲労特性に及ぼす加工熱処理の影響」、日本金属学会誌、第７巻、第１１号（２００３）６５２−６６０頁
【非特許文献４】日経メカリカル、２００１年４月号（ｎｏ．５５９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、アルミニウム基金属を弾性率の低い複合材料に変化させて、低弾性率の新素材を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、アルミニウムと低弾性率の炭素粒子に着目し、種々検討をしたところ、炭素繊維は、アルミニウムと反応し、Ａｌと炭素繊維の界面にＡｌ２Ｃ３の脆性な材料が形成され、強度を低下させ、非常に弱い材料を製造する可能性があること、従って、炭素繊維強化Ａｌ複合材料を製造するためには、好適なプロセスの開発が必要であること、また、粉末冶金法で炭素繊維強化Ａｌ複合材料を製造する場合には、強化材料をマトリックス中に均一に分散させること、或いは炭素繊維は酸素中で燃焼するので、それを防いで、目的とする性能の複合材料を製造する必要であること、などを踏まえ、更に研究を重ね、それらの問題を全てクリアーして本発明を完成するに至った。
【００１２】
即ち、本発明は、従来用いられることのなかった、弾性率の低い、アルミニウム基複合材料及びその製造方法を提供することを目的とするものである。また、本発明は、アルミニウム金属に、低弾性率の、炭素繊維又は炭素粒子を複合化させる新規なアルミニウム基複合材料の製造方法を提供すること、特に、アルミニウム金属と炭素繊維又は炭素粒子との界面の状態を損なわず、炭素繊維又は炭素粒子の燃焼を防ぐことができ、かつ、アルミニウム金属と炭素繊維又は炭素粒子との割合が均一になるようにすることができる新規なアルミニウム基複合材料の製造方法、該製造方法により得られる、炭素繊維又は炭素粒子を複合させた新規なアルミニウム基複合材料、及びそれを用いた製品を提供することを目的とするものである。
【００１３】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）低弾性率の炭素繊維の長繊維及び短繊維並びに炭素粒子のうちの一種以上の炭素成分を強化材料とし、純アルミニウム及び／又はアルミニウム合金のアルミニウム金属をマトリックスとして、弾性率を低下させたアルミニウム基複合材料を製造する方法であって、アルミニウム金属に、上記炭素成分を体積含有率が５〜８０％になるように配合し、複合化することを特徴とする、低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
（２）炭素成分が、アモルファスであることを特徴とする、前記（１）に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
（３）アルミニウム合金が、２０００系、５０００系、６０００系及び７０００系のアルミニウム合金、メゾ−１０及びメゾ−２０である高強度アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金並びにＡｌ−Ｌｉ系合金のうちの１種以上であることを特徴とする、前記（１）に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。  
（４）粉末冶金法、溶湯鍛造法、溶湯攪拌法、コンポキャスト法、鋳造法又は高温塑性加工法で複合化することを特徴とする、前記（１）に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
（５）複合化した後に、温度２００〜６５０℃、押出比２以上で押出加工を加えて、加工することを特徴とする、前記（１）に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
（６）複合化した後に、そのままの状態で、又は金属板若しくは金属管に挟み、２００〜５５０℃の温度に加熱し、歪量１.０〜４.０になるまで圧延加工を加え、加工することを特徴とする、前記（１）に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
（７）複合化した後に、２００〜６５０℃の温度で、塑性歪み０.１以上で熱間鍛造するか、又はその熱間鍛造後、圧延加工若しくは押出加工を加えて、加工することを特徴とする、前記（１）に記載の低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法。
（８）前記（１）から（７）のいずれかに記載の方法により製造された低弾性率アルミニウム基複合材料であって、炭素繊維の長繊維及び短繊維並びに炭素粒子のうちの一種以上の炭素成分を強化材料とし、純アルミニウム及び／又はアルミニウム合金であるアルミニウム金属をマトリックスとして、アルミニウム金属に、上記炭素成分を体積含有率が５〜８０％になるように配合し、複合化して、弾性率を低下させたことを特徴とする、低弾性率アルミニウム基複合材料。
（９）前記（８）に記載の、低弾性率アルミニウム基複合材料を構成要素として含むことを特徴とする低弾性率製品用構造部材。
（１０）製品が、ゴルフクラブ、ロボット、メガネフレーム、バネ、福祉機器用車椅子又は人工骨補助材であることを特徴とする、前記（９）に記載の構造部材。
【００１４】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明では、マトリックスとしての、アルミニウム金属と、強化材料としての、低弾性率の炭素繊維の長繊維及び短繊維並びに炭素粒子のうちの１種以上が使用される。それらのうち、アルミニウム金属としては、例えば、純アルミニウム、２０００系、５０００系、６０００系又は７０００系などのアルミニウム合金、メゾ−１０、メゾ−２０などの高強度アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金及びＡｌ−Ｌｉ系合金などが例示される。また、強化材料としては、使用するアルミニウム金属よりも低弾性率のものであり、使用するアルミニウム金属の弾性率、得られる複合材料の使用目的に合った弾性率に依存して選択される。本発明で用いる炭素繊維としては、アルミニウム金属の弾性率よりも低い弾性率の炭素繊維であれば、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維のいずれでもよいが、アモルファス炭素繊維であることが好ましい。例えば、日本グラファイトファイバー株式会社製グラノックＸＮ−０５（引張弾性率５５ＧＰａ、引張強度１１３０ＭＰａ）、ＸＮ−０５Ｃ（引張弾性率５５ＧＰａ、引張強度１１３０ＭＰａ）、東海カーボン株式会社製ＢＧＣ−１５２（弾性率３０ＧＰａ）などが例示される。本発明で用いる炭素粒子は、炭素繊維と同様に、アルミニウム金属の弾性率よりも低い弾性率の炭素粒子であれば良く、弾性率が低い炭素繊維をボールミルなどで粉砕して粒子としたものでもよい。
【００１５】
また、炭素繊維をアルミニウム金属と複合させる場合に、炭素繊維は、アルミニウムと反応し、Ａｌと炭素繊維の界面に、Ａｌ２Ｃ３の脆性な材料が形成され、強度を低下させ、非常に弱い材料としてしまう危惧がある。したがって、炭素繊維短繊維或いは炭素粒子強化Ａｌ複合材料を製造するためには、好適なプロセスの開発が必要である。また、粉末冶金法で、炭素繊維或いは炭素粒子強化Ａｌ複合材料を製造する場合には、特に、強化材料をマトリックス中に均一に分散させることが必要であり、炭素繊維が酸素中で燃焼することから、真空中或いは不活性ガス中で焼結し、目的とする性能の複合材料を製造することなどが必要である。本発明では、低弾性率炭素繊維又は低弾性率炭素粒子により強化されたアルミニウム基複合材料（低弾性率カーボンメタル複合材料）を創製する際に、長繊維炭素繊維強化Ａｌ複合材料を製造する場合には、溶湯鍛造法、粉末冶金法、又は鋳造法を用いる。また、低弾性率炭素繊維の短繊維又は低弾性率炭素粒子を強化材として含むＡｌ基複合材料の製造する場合には、前記製造法の他に、コンポキャスト法、溶湯攪拌法又は高温塑性加工法を用いる。
【００１６】
低弾性率炭素繊維は、通常、長繊維として製造されているが、長繊維を用いる炭素線維強化複合材料の製造方法における溶湯鍛造法と拡散接合法については、溶湯鍛造法では、真空中或いは不活性ガス中において、炭素繊維のプリフォーム中に、Ａｌ溶湯を含浸させることで複合材料が製造され、拡散接合法では、Ａｌの箔の間に、炭素繊維を重ね、真空中でホットプレスにより加圧焼結させて製造される。従って、例えば、粉末冶金法と同様に、炭素繊維が酸素存在下で燃焼するのを避けること、或いは炭素繊維とＡｌの割合が均一になるようにすることが必要になる。粉末冶金法により炭素繊維強化或いは炭素粒子強化Ａｌ複合材料を製造する場合には、強化材料をマトリックス中に均一に分散させること、或いは炭素繊維が酸素中で燃焼することから、真空中或いは不活性ガス中で焼結し、目的とする性能の複合材料を製造することなどが必要となる。
【００１７】
更に、溶湯鍛造法、粉末冶金法、コンポキャスト法、溶湯攪拌法又は鋳造法で造られた複合材料では、炭素繊維或いは炭素粒子の分散は、いまだ不均一であるので、複合材料製造後に、押出加工、圧延加工又は鍛造加工等の、高温塑性加工による組織制御プロセスを用いることによって、組織制御を行い、炭素繊維短繊維或いは炭素粒子を均一に分散させて、組織微細化効果による高強度化を図る。
【００１８】
一般に、界面の制御が、低弾性率と高強度を達成するには重要であるので、炭素繊維或いは炭素粒子とマトリックス合金成分との反応を抑制し、強固な界面を形成し、弾性率の低下を実現するＡｌ基複合材料を製造するためには、複合材料の炭素繊維或いは炭素粒子とマトリックス合金成分との界面に液相が生ずる温度より、やや低めの製造温度を選ぶ必要がある。それにより、炭素繊維或いは炭素粒子とマトリックスとの間に反応が抑制でき、界面にＡｌ３Ｃ４の様な脆性の反応生成物発生が抑えられ、炭素繊維或いは炭素粒子による強化作用が有効に作用することができる。以上のプロセスにより、更に高機能な複合材料の創製が可能である。
【００１９】
構造材料用複合材料の製造方法の内、最も実用的な製造方法は、上記の溶湯鍛造法である。本発明における溶湯鍛造法では、炭素繊維が短繊維の場合には、短繊維のプリフォームを作製することが必要である。プリフォームを作製する方法としては、例えば、真空吸引法という方法で、溶媒と共に短繊維を入れた容器から真空ポンプで水分を抜き取り、短繊維のプリフォームを作製し、乾燥させる方法、或いは焼結助剤を用いてプリフォームを製造する方法などがある。３００〜７００℃に加熱した炭素繊維プリフォームを、真空中或いは不活性ガス中に置いた金型に入れ、溶融したアルミニウム金属を、ポンチ或いは外力を加え、プリフォームに浸透させると、短繊維強化アルミニウム複合材料ができる。
【００２０】
本発明において、長繊維炭素繊維を用い、上記の溶湯鍛造法で製造する場合には、長繊維を巻いた枠型を、金型中に置き、溶融アルミニウム金属をポンチで加圧して、プリフォーム中に浸透させて、長繊維炭素繊維強化アルミニウム複合材料を製造する。長繊維強化アルミニウム複合材料の強度と弾性率は、複合則にかなり近い値となるので、体積含有率を、５０％という高い値にでき、強度は４００ＭＰａ以上の高い値で、弾性率を６０ＧＰａ以下に低下させることが可能である。従って、バネ材料としての応用を図ることができる。
【００２１】
また、本発明の製造方法として、長繊維を溶融アルミニウム中に連続的に浸漬すると、長繊維炭素繊維の周囲に、アルミニウムが付着し、アルミニウムで覆われた炭素繊維長繊維が製造できる。これらを一緒に２００℃以上の温度で加圧して、複合材料が製造できる。この方法は、長繊維がかなり均一に分散した複合材料が製造できる方法である。本発明において、長繊維短繊維を用いるもうひとつの製造方法は、上記の粉末冶金法である。即ち、アルミニウムの箔と長繊維炭素繊維を交互に重ね、それらを重ねた後に、真空中で加圧焼結にする方法により、長繊維強化アルミニウム複合材料を製造することができる。長繊維複合材料では、強度・弾性率を、長繊維も負担するので、安定性のある機械的性質を有する複合材料の製造が可能である。従って、強度の高い、構造用に用いる低弾性率炭素繊維複合材料を製造するこができる方法である。また、長繊維炭素繊維の体積含有率の最大は、７０〜８０％まで可能である。
【００２２】
上記粉末冶金法は、短繊維炭素繊維強化或いは炭素粒子強化複合材料を製造する場合にも適した方法である。所定の体積含有率となるように測った短繊維或いは粒子とアルミニウムとの混合粉末を、アルコールやアセトン等の溶媒中で均一になる時間混合し、乾燥後、真空中或いは不活性ガス中で、加圧焼結により製造できる。その特徴は、体積含有率を正確に容易に選べることである。弾性率は、６０〜４５ＧＰａまで低下させることが可能である。粉末冶金法では、ホットプレスだけでなく、アルミニウム缶に混合粉末を入れ、内部を真空に封入して２００℃以上の温度で押出加工し、製造することも可能である。低弾性率の炭素繊維強化アルミニウム複合材料の弾性率は、４０〜６０ＧＰａ、引張強さは、２３０〜６００ＭＰａである。
【００２３】
一般に、最もコストが低い実用的な複合材料の製造方法は、上記の溶湯攪拌法である。この方法により、真空中或いは不活性ガスで覆った容器或いは雰囲気状態で、アルミニウムを溶かし、アルミニウム中にカルシウムやマグネシウム等の濡れ性を向上させる合金を数％入れ、炭素繊維短繊維或いは炭素粒子が均一に混ざるように、溶融アルミニウムを攪拌する。均一に混合した後、炭素繊維が混ざったアルミニウム基複合材料を凝固させ、複合材料を製造する。この方法は、電気炉と坩堝により製造装置ができるので、最もコストがかからない製造装置である。炭素繊維短繊維或いは炭素粒子の体積含有率は、必要とされる値で製造できる。また、上記のコンポキャスト法は、該溶湯攪拌法に対し、アルミニウムが半凝固状態にあるときに、炭素繊維短繊維或いは炭素粒子をこの半凝固アルミニウムに混合する場合の方法であるので、該溶湯攪拌法と区別して実施される。コンポキャスト法は、濡れ性を向上させる合金成分が必要ではない方法である。
【００２４】
本発明において、上記の鋳造法を適用するには、長繊維炭素繊維を発砲スチロールと交互に重ねたプリフォームを型の中に置き、その中に溶融アルミニウムを入れる。発砲スチロールは、溶融アルミニウムにより溶けてしまい、炭素繊維とアルミニウムとの複合材料が製造できる。この方法は、炭素繊維短繊維とアルミニウム複合材料の製造にも用いることが可能である。また、この方法は、コストが溶湯攪拌法と同様に低い製造方法である。
【００２５】
炭素繊維或いは炭素粒子の体積含有率は、５％では、６５ＧＰａに弾性率を低下させられるので、５％を最小の体積含有率に選ぶ。最大の短繊維或いは炭素粒子の体積含有率は４０％とする。その理由は、強度が低下するからである。長繊維炭素繊維は、炭素繊維で強度を上げることができるので、最大の体積含有率を８０％とする。
【００２６】
本発明においては、上記の高温塑性加工により、炭素繊維或いは炭素粒子強化アルミニウム複合材料も製造可能である。アルミニウム粉末を用いる方法では、前述の粉末冶金法と同様に、所定の体積含有率となるように測った、炭素繊維短繊維或いは炭素粒子及びアルミニウム粉末を、アルコールやアセトン等の溶媒中で均一になる時間混合し、乾燥して、混合粉末を調製し、これをアルミニウム缶に入れ、真空に封入し、２００℃以上の温度で、押出比２以上で押出加工を行うことにより、炭素繊維短繊維或いは炭素粒子強化アルミニウム複合材料の製造が可能である。この方法は、ホットプレスなどの特別な装置を用いず、プレスと金型、電気炉があればよいので、実用的な複合材料製造方法である。押出加工以外にも、圧延加工、鍛造加工、線引き加工等の塑性加工において同様な加工条件で製造が可能である。
【００２７】
上述の粉末冶金法、溶湯攪拌法、コンポキャスト法、鋳造法で製造した炭素繊維短繊維強化或いは炭素粒子強化アルミニウム複合材料の強度は、構造材料として用いるには不十分で、炭素繊維或いは炭素粒子の分散状態も不均一なことが多いので、押出加工、圧延加工、鍛造加工等の高温塑性加工による機械的性質向上が必要である。アルミニウム基複合材料を塑性加工する場合には、２００℃以上に加熱することが必要である。加工量は、押出加工の押出比は２以上とする。押出し加工を行う場合には、素材をアルミニウムのパイプに入れ、表面での素材のクラック発生を無いようにする。押出装置は、電気炉に金型を入れて行う場合、金型を１００℃以上に加熱しておき、素材は２００℃以上に加熱する方法がある。
【００２８】
上述の圧延加工で、微視的組織の微細化と機械的性質の向上を図るには、素材を鋼のパイプに入れて、加熱して圧延する方法と、加熱した素材を冷間圧延機でそのまま圧延する方法を用いることができる。圧延量は、一回の圧延量を０．１％以上とする。全圧延量も５％以上とする。また、上述の鍛造加工を利用する場合には、鍛造ビレットの温度は２００℃以上、鍛造加工量は１％以上とする。鍛造方法は、金型の中に素材を入れ、金型鍛造する方法と、上下の金型の間に素材を置き、据え込み鍛造する方法等を採用できる。
【００２９】
本発明に係る、低弾性率の炭素繊維及び／又は炭素粒子の複合により強化されたＡｌ基複合材料は、前述の各分野で有用である。例えば、ロボット分野において、人間の骨に近い弾性率の素材を用いた手や指を用いることが求められるが、本発明により開発された、低弾性率カーボンメタル複合材料は、これらのロボットの性能向上を可能にする。メガネのフレームの分野においては、本発明の、低弾性率カーボンメタル複合材料は、人間の骨に近い弾性率であり、人に快適な使用感を与えるものである。しかも、形状記憶合金より安いコストで製造できる材料である。
【００３０】
自動車のバネ材料は、そのバネ特性が、弾性率と強度の大きさで左右され、弾性率が低く、強度が高ければ、バネ特性が優れていることから、弾性率を低下させ、強化材料で強度を上げた、本発明のカーボンメタル複合材料は、バネ特性に優れ、自動車のバネ材料として好適である。更に、バネ特性の優れた、本発明のカーボンメタル複合材料は、機械部品のスプリングやガスケットへの応用も可能である。ゴルフクラブには、５０ＧＰａの弾性率と４００ＭＰａの強度が要求されているが、本発明のカーボンメタル複合材料は、この要求を満たしている。しかも、マグネシウム複合材料は、軽量ではあるが、スポーツ部品として、外気で用いるには、耐久性に問題があるのに対し、本発明のカーボンメタル複合材料は、それと同等以上の性能を有し、例えば、ゴルフクラブとして、マグネシウム複合材料よりも優れた性能を発揮できる。
【００３１】
電気動力式車椅子や人力で動く車椅子等の医療福祉機器分野において、安価ではあるが、強度や耐久性に劣るプラスチックに対し、本発明のカーボンメタル複合材料は、値段がプラスチックに比べ高価であるが、軽量であること以外に、高強度、低弾性率による人に優しい素材であり、しかも振動特性に優れており、人に対して快適な車椅子の製造を可能にするものである。更には、本発明のカーボンメタル複合材料は、低弾性率で振動吸収特性に優れ、高比強度を示すと共に、アルミニウム基複合材料であることから、高耐熱性・耐摩耗性があり、しかも、熱的寸法安定性に優れているので、自動車のエンジン部品や鉄道車両等の、振動吸収性能を生かせる部材への応用、或いはスポーツ部品、ＯＡ機器，ＡＶ機器等の、軽量化と高機能化の要求が高い分野への応用なども可能である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明により、（１）アルミニウム金属中に炭素繊維短繊維を容易に均一に分散させ、マトリックスの微視的組織を効果的に微細化した低弾性率アルミニウム基複合材料を提供できる、（２）アルミニウム金属の強度を高めることが可能であり、実用化において、コストの低減、複合材料の性能の向上、及び製品形状への成形が容易である、（３）本発明の複合材料は、軽量であり、強度が付加されており、熱伝導性に優れており、また、低弾性率であることにより、振動吸収性能が良く、高比強度と共に高耐熱性・耐摩耗性があり，しかも、熱的寸法安定性、振動吸収特性に優れている、（４）本発明の複合材料は、例えば、自動車のエンジン部品や鉄道車両の、振動吸収性能を生かせる部材への応用が可能であり、また、ロボットの手等の部材、ゴルフクラブなどのスポーツ部品、航空機、自動車、ＯＡ機器、ＡＶ機器等の、軽量化と高機能化の要求が厳しい分野に応用可能である、という格別の効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
次に、本発明を、実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、この実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００３４】
（１）板状の炭素繊維強化アルミニウム基合金複合材料の調製
粉末冶金法により、炭素繊維（引張強度１１６０ＭＰａ、弾性率．５１ＧＰａ、直径１０μｍ）の短繊維（平均線維長３００μｍ）と、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系の２０１７アルミニウム合金（弾性率７０ＧＰａ、引張強度４００ＭＰａ）とから、炭素繊維短繊維の体積含有率を変えて、直径が４０ｍｍの棒状の炭素繊維短繊維強化２０１７アルミニウム合金複合材料を製造した。この炭素繊維短繊維強化２０１７Ａｌ複合材料に対し、７７３Ｋで押出加工を行い、４０ｍｍの棒材を、１０ｍｍの線材に加工し、更に、この素材を、７７３Ｋの温度で加熱し、歪量約０.１以下になるような圧下率で圧延した。これを繰り返し、約２ｍｍの厚さになるまで圧延を行い、板状の複合材料を製造した。
【００３５】
（２）炭素繊維強化アルミニウム基合金複合材料の特性
上記のようにして調製した、約２ｍｍ厚の板状の複合材料を、内部摩擦測定装置により弾性率を測定したところ、弾性率が、炭素繊維の体積含有率が２５％において、４６ＧＰａに低下していた。図１に、押出加工後圧延加工を加えた、この炭素繊維短繊維強化２０１７Ａｌ複合材料の、弾性率と炭素繊維の体積含有率との関係を示す。この図から、この複合材料の弾性率は、炭素繊維短繊維の体積含有率が５％を超えると、約４０〜６０ＧＰａであり、アルミニウムの弾性率を低下させ得ることが分かった。また、図２に、炭素繊維短繊維強化２０１７Ａｌ複合材料の、炭素繊維短繊維の体積含有率が１０％である場合の光学顕微鏡組織を示す。この図から、粉末冶金法により、炭素繊維短繊維が均一に分散した複合材料を製造できることが分かる。
【００３６】
更に、図３に、押出加工後圧延加工を加えた、約２ｍｍ厚の板状の炭素繊維短繊維強化２０１７アルミニウム合金複合材料における、引張強さと炭素繊維の体積含有率との関係を示す。この図から、この複合材料の引張り強さは、体積含有率が１０％において、２３０ＭＰａを示し、マトリックス単体の強度より高く、炭素繊維により、複合材料の強度は向上していることが分かる。図４には、上記板状の炭素繊維短繊維強化２０１７アルミニウム合金複合材料（ＸＮ−０５Ｃ／２０１７／０）に対し、その熱処理材（ＸＮ−０５Ｃ／２０１７／Ｔ４）とした場合及び２０１７Ａｌ合金に代えメゾ−１０Ａｌ合金を用いた、板状の炭素繊維短繊維強化メゾ−１０Ａｌ合金複合材料を熱処理材（ＸＮ−０５Ｃ／Ｍｅｓｏ１０／Ｔ６）とした場合についても、図３と同様の関係を示した。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上詳述したように、本発明は、低弾性率アモルファス炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の製造方法に係るものであり、本発明は、純アルミニウム又はアルミニウム合金と、炭素繊維の長繊維及び短繊維並びに炭素粒子のうちの一種以上との複合化により、高い強度と同時に、人体への馴染みやすさ、しなやかさ、即ち、人間の骨の弾性率に近い、低弾性率を持つアルミニウム基複合材料の製造を可能にするものである。本発明の製造方法により得られるアルミニウム基複合材料は、例えば、ゴルフクラブ、ロボット、メガネフレーム、バネ、福祉機器用車椅子及び人口骨補助材などに好適に使用される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】押出加工後圧延加工を加えた炭素繊維短繊維強化２０１７Ａｌ複合材料の、弾性率と炭素繊維短繊維の体積含有率との関係を示す図である。
【図２】炭素繊維短繊維強化２０１７Ａｌ複合材料の、炭素繊維短繊維の体積含有率が１０％の場合の、光学顕微鏡組織を示す図である。
【図３】押出加工後圧延加工を加えた炭素繊維短繊維強化２０１７Ａｌ複合材料の、引張強さと炭素繊維短繊維の体積含有率との関係を示す図である。
【図４】図３の押出加工後圧延加工を加えた炭素繊維短繊維強化２０１７Ａｌ複合材料（ＸＮ−０５Ｃ／２０１７／０）に対し、その熱処理材（ＸＮ−０５Ｃ／２０１７／Ｔ４）とした場合及び２０１７Ａｌ合金に代え、メゾ−１０合金を用いた、押出加工後圧延加工を加えた炭素繊維短繊維強化メゾ−１０Ａｌ合金複合材料の熱処理材（ＸＮ−０５Ｃ／Ｍｅｓｏ１０／Ｔ６）の場合についても、図３と同様の関係を示した図である。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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