(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、炭素材料を含む多孔質複合金属材料およびその製造方法を提供することにある。【解決手段】  多孔質複合金属材料の製造方法は、炭素材料が金属中に分散した複合金属材料６を得る工程（ａ）と、複合金属材料６から、炭素材料の周りに形成された被覆層を残して金属を除去する工程（ｂ）と、を含むことを特徴とする。【選択図】      図４
2005171358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材料と、該炭素材料の周りに形成された被覆層と、を含み、
前記被覆層は、金属または金属化合物であり、
前記被覆層が他の前記被覆層と部分的に連結することで多孔質構造を有する、多孔質複合金属材料。
【請求項２】
請求項１において、
前記炭素材料は、ナノマテリアルである、多孔質複合金属材料。
【請求項３】
請求項２において、
前記炭素材料は、カーボンナノファイバーである、多孔質複合金属材料。
【請求項４】
請求項１において、
前記炭素材料は、カーボンブラックである、多孔質複合金属材料。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記被覆層は、アルミニウムまたはアルミニウム化合物である、多孔質複合金属材料。
【請求項６】
炭素材料が金属中に分散した複合金属材料を得る工程（ａ）と、
前記複合金属材料から、前記炭素材料の周りに形成された被覆層を残して前記金属を除去する工程（ｂ）と、
を含む、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記工程（ａ）は、前記炭素材料とエラストマーとを混合して複合材料を得る工程（ａ―１）と、
前記複合材料と前記金属とを混合し、かつ前記エラストマーを分解して除去して前記複合金属材料を得る工程（ａ−２）と、
を含む、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記工程（ａ−２）は、前記複合材料の粒子と前記金属の粒子とを混合した後、粉末成形して前記複合金属材料を得る、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項９】
請求項７において、
前記工程（ａ−２）は、前記複合材料と流体状態の前記金属とを混合した後、固化して前記複合金属材料を得る、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項７において、
前記工程（ａ−２）は、前記複合材料に、前記金属の溶湯を浸透させて前記エラストマーを前記金属の溶湯と置換して前記複合金属材料を得る、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項１１】
請求項６ないし１０のいずれかにおいて、
前記工程（ｂ）は、前記複合金属材料を加熱して、前記被覆層を残して前記金属を蒸発させて除去する、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項１２】
請求項６ないし１０のいずれかにおいて、
前記工程（ｂ）は、酸によって、前記被覆層を残して前記金属を溶解して除去する、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項１３】
請求項６ないし１２のいずれかにおいて、
前記炭素材料は、ナノマテリアルである、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記炭素材料は、カーボンナノファイバーである、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項１５】
請求項６ないし１２のいずれかにおいて、
前記炭素材料は、カーボンブラックである、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項１６】
請求項６ないし１５のいずれかにおいて、
前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である、多孔質複合金属材料の製造方法。
【請求項１７】
請求項６ないし１６のいずれかの製造方法によって得られた多孔質複合金属材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質複合金属材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば自動車の構造材料に用いられている多孔質金属材料として、例えば発泡金属材料が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２０６９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者等は、優れた特性を有する多孔質金属材料を得るべく鋭意研究を重ねたところ、炭素材料を含む複合金属材料には、炭素材料の周りにマトリクスとなる金属とは特性の異なる被覆層が形成されていることを見出して、本発明に至った。
【０００４】
本発明の目的は、炭素材料を含む多孔質複合金属材料およびそ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】
【０００５】
本発明にかかる多孔質複合金属材料は、炭素材料と、該炭素材料の周りに形成された被覆層と、を含み、
前記被覆層は、金属であり、
前記被覆層が他の前記被覆層と部分的に連結することで多孔質構造を有する。
【０００６】
本発明の多孔質複合金属材料は、炭素材料によって補強され、かつ多孔質構造によって衝撃吸収性、振動吸収性、吸音性、遮音性、電磁シールド性等の特性を持つ優れた材料となる。
【０００７】
また、本発明にかかる多孔質複合金属材料の製造方法は、炭素材料が金属中に分散した複合金属材料を得る工程（ａ）と、
前記複合金属材料から、前記炭素材料の周りに形成された被覆層を残して前記金属を除去する工程（ｂ）と、
を含む。
【０００８】
本発明の製造方法によれば、炭素材料を含有する複合金属材料を用いることで、比較的容易に多孔質金属材料を製造することができる。また、複合金属材料中における炭素材料の含有量を調整することで、複合金属材料中における被覆層の割合を調整できるため、容易に気孔率を調整することができる。したがって、炭素材料によって軽量化と強度向上を図ると共に、炭素材料の含有量によって多孔質複合金属材料の気孔率を調整することができる。
【０００９】
また、本発明にかかる多孔質複合金属材料の製造方法において、前記工程（ａ）は、前記炭素材料とエラストマーとを混合し、複合材料を得る工程（ａ―１）と、
前記複合材料と前記金属とを混合し、かつ前記エラストマーを分解して除去し、前記複合金属材料を得る工程（ａ−２）と、
を含むことができる。
【００１０】
本発明の製造方法によれば、炭素材料とエラストマーとを混合した複合材料を用いることで、炭素材料が均一に分散した複合金属材料を得ることができる。特に、ナノサイズの炭素材料は、凝集性が高く分散しにくいが、エラストマーと混合することにより、複合材料中に均一に分散させることができる。
【００１１】
また、本発明にかかる多孔質複合金属材料の製造方法において、前記工程（ａ−２）は、以下の方法を採用することで、炭素材料が分散した複合金属材料を得ることができる。
（１）前記複合材料の粒子と前記金属の粒子とを混合した後、粉末成形して前記複合金属材料を得る方法。
（２）前記複合材料と流体状態の前記金属とを混合した後、固化して前記複合金属材料を得る方法。
（３）前記複合材料に、前記金属の溶湯を浸透させて前記エラストマーを前記金属の溶湯と置換して前記複合金属材料を得る方法。
【００１２】
さらに、本発明にかかる多孔質複合金属材料の製造方法において、前記工程（ｂ）は、前記複合金属材料を加熱して、前記被覆層を残して前記金属を蒸発させて除去することができる。
【００１３】
さらにまた、本発明にかかる多孔質複合金属材料の製造方法において、前記工程（ｂ）は、酸によって、前記被覆層を残して前記金属を溶解して除去することができる。
【００１４】
このように、被覆層を除いて複合金属材料の金属を除去することで、多孔質の複合金属材料を得ることができる。
【００１５】
また、本発明の多孔質複合金属材料における前記炭素材料は、ナノマテリアルとすることができる。
【００１６】
このように、ナノマテリアルの炭素材料、例えばフラーレン、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーンなどを用いることで、少量の炭素材料でもその周りに被覆層が成長するため、多孔質複合金属材料を得ることができる。
【００１７】
また、本発明の多孔質複合金属材料における前記炭素材料は、カーボンナノファイバーとすることができる。
【００１８】
このように、柔軟で高い強度を有するカーボンナノファイバーを用いることで、被覆層もカーボンナノファイバーによって補強される。特に、カーボンナノファイバーのような繊維材料である場合、複合材料中に分散させてもカーボンナノファイバー同士が相互に絡み合っているため、被覆層も同様に絡み合い十分な連結構造を有することができる。
【００１９】
また、本発明の多孔質複合金属材料における前記炭素材料は、カーボンブラックとすることができる。
【００２０】
このように、比較的安価なフィラーとして流通しているカーボンブラックをもちいることで、比較的安価な多孔質複合金属材料を得ることができる。
【００２１】
また、本発明の多孔質複合金属材料における前記被覆層は、アルミニウムまたはアルミニウム化合物とすることができる。
【００２２】
このように、アルミニウムまたはアルミニウム化合物の被覆層とすることで、多孔質複合金属材料の軽量化を図ることができる。
【００２３】
また、本発明の多孔質複合金属材料における前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金とすることができる。
【００２４】
このように、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属とすることで、被覆層もアルミニウムまたはアルミニウム合金もしくはそれら化合物となり、多孔質複合金属材料の軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
本実施の形態にかかる多孔質複合金属材料は、炭素材料と、該炭素材料の周りに形成された被覆層と、を含み、前記被覆層は、金属または金属化合物であり、前記被覆層が他の前記被覆層と部分的に連結することで多孔質構造を有する。
【００２７】
本実施の形態にかかる多孔質複合金属材料の製造方法は、炭素材料が金属中に分散した複合金属材料を得る工程（ａ）と、前記複合金属材料から、前記炭素材料の周りに形成された被覆層を残して前記金属を除去する工程（ｂ）と、を含む。
【００２８】
また、本発明にかかる多孔質複合金属材料の製造方法の前記工程（ａ）は、前記炭素材料とエラストマーとを混合し、複合材料を得る工程（ａ―１）と、前記複合材料と前記金属とを混合し、かつ前記エラストマーを分解して除去し、前記複合金属材料を得る工程（ａ−２）と、を含む。
【００２９】
（Ａ）まず、炭素材料について説明する。
【００３０】
炭素材料としては、炭素同素体を用いることができ、例えば炭素繊維、カーボンブラック、アモルファスカーボン、ガラス状炭素、グラファイト、ダイヤモンド及びフラーレンなどを用いることができる。ここでいう炭素繊維には、カーボンナノファイバーが含まれる。カーボンナノファイバーは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造を有するものであって、カーボンナノチューブ、グラファイトフィブリルナノチューブ、フラーレンファイバーといった名称で称されることもある。
【００３１】
また、炭素材料としては、繊維状の炭素材料、例えばカーボンナノファイバーを含む炭素繊維などを用いることができる。繊維状であると、炭素材料の周りに形成される被覆層も繊維状に成長し、他の被覆層との連結部分が形成され易く、多孔質複合金属材料の形態安定性に優れる。カーボンブラックは、その配合量によってパーコレーションを形成して、擬似的に繊維状に連なることから、同様に多孔質複合金属材料の形態安定性の面から有利である。特にカーボンブラックの場合、安価で多くのグレードが市場に流通しいるため、比較的容易に利用可能である。
【００３２】
またさらに、炭素材料としては、微小物質、例えばカーボンナノファイバーやフラーレンのようなナノマテリアルとすることができる。微小物質、特にナノマテリアルであれば、少ない配合量であっても多孔質複合金属材料を製造することができる。
【００３３】
このように、炭素材料としては、繊維状でありかつナノマテリアルである、カーボンナノファイバーとすることができる。カーボンナノファイバーは、平均直径が０．５ないし５００ｎｍであることが好ましいく、多孔質複合金属材料の強度を向上させるためには０．５ないし３０ｎｍであることがさらに好ましい。カーボンナノファイバーの配合量は、特に限定されず、用途に応じて設定できるが、例えば平均直径が１０ｎｍのカーボンナノファイバーの場合、複合金属材料に用いる金属材料に対して５ｖｏｌ％未満であることが望ましい。カーボンナノファイバーが５ｖｏｌ％以上であると、複合金属材料のほとんどが被覆層となり、多孔質複合金属を得ることができないためである。
【００３４】
カーボンナノファイバーは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。
【００３５】
アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得る方法である。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。
【００３６】
レーザーアブレーション法は、希ガス（例えばアルゴン）中で、ターゲットであるニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面に、ＹＡＧレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面を溶融・蒸発させて、単層カーボンナノチューブを得る方法である。
【００３７】
気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、より具体的には、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などが例示できる。
【００３８】
本実施の形態の炭素材料は、金属溶湯の中に直接混合させる方法や、金属粒子とドライブレンドして焼結する方法などによって、金属と直接的に混合して複合金属材料を製造することができる。また、本実施の形態の炭素材料は、エラストマーと混合して複合材料を製造し、その複合材料を複合金属材料を製造する際の原料として用いることができる。
【００３９】
カーボンナノファイバーは、エラストマーもしくは金属材料と混合される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。
【００４０】
（Ｂ）次に、炭素材料とエラストマーとを混合して複合材料を得る工程（ａ−１）について説明する。
【００４１】
本実施の形態では、エラストマーに炭素材料を混合させる工程（ａ−１）として、炭素材料にカーボンナノファイバーを用いると共に、ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール法を用いた例について述べる。
【００４２】
炭素材料としてカーボンナノファイバーを用いる場合、カーボンナノファイバーは凝集性があって分散させにくいため、エラストマーは、例えば、カーボンナノファイバーと親和性が高いなどの特徴を有することが望ましい。なお、エラストマーについては、次の（Ｃ）で詳述する。
【００４３】
図１は、２本のロールを用いたオープンロール法を模式的に示す図である。図１において、符号１０は第１のロールを示し、符号２０は第２のロールを示す。第１のロール１０と第２のロール２０とは、所定の間隔ｄ、好ましくは１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．１ないし０．５ｍｍの間隔で配置されている。第１および第２のロールは、正転あるいは逆転で回転する。図示の例では、第１のロール１０および第２のロール２０は、矢印で示す方向に回転している。第１のロール１０の表面速度をＶ１、第２のロール２０の表面速度をＶ２とすると、両者の表面速度比（Ｖ１／Ｖ２）は、１．０５ないし３．００であることが好ましい。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。まず、第１，第２のロール１０，２０が回転した状態で、第２のロール２０に、エラストマー３０を巻き付けると、ロール１０，２０間にエラストマーがたまった、いわゆるバンク３２が形成される。
【００４４】
ついで、このエラストマー３０がたまったバンク３２内にカーボンナノファイバー４０を加えて、第１、第２のロール１０，２０を回転させる。さらに、第１，第２ロール１０，２０の間隔を狭めて前述した間隔ｄとし、この状態で第１，第２ロール１０，２０を上記所定の表面速度比で回転させる。これにより、エラストマー３０に高い剪断力が作用し、この剪断力によって凝集していたカーボンナノファイバーが１本づつ引き抜かれるように相互に分離し、エラストマー３０に分散される。
【００４５】
なお、エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、できるだけ高い剪断力で混練されることが望ましい。この工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合は、好ましくは０ないし５０℃、より好ましくは５ないし３０℃の比較的低い温度で行われる。オープンロール法を用いた場合には、ロールの温度を上記の温度に設定することが望ましい。
【００４６】
このとき、本実施の形態のエラストマーは、以下で詳述する特徴、すなわち、エラストマーの分子形態（分子長）、分子運動、カーボンナノファイバーとの化学的相互作用などの特徴を有することによってカーボンナノファイバーの分散を容易にするので、分散性および分散安定性（カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと）に優れた複合材料を得ることができる。より具体的には、エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合すると、分子長が適度に長く、分子運動性の高いエラストマーがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、エラストマーの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分と結合する。この状態で、エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物に強い剪断力が作用すると、エラストマーの移動に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、エラストマー中に分散されることになる。そして、一旦分散したカーボンナノファイバーは、エラストマーとの化学的相互作用によって再凝集することが防止され、良好な分散安定性を有することができる。
【００４７】
エラストマーにカーボンナノファイバーなどの炭素材料を剪断力によって分散させる工程（ａ−１）は、上記オープンロール法に限定されず、密閉式混練法あるいは多軸押出し混練法を用いることもできる。要するに、この工程では、凝集したカーボンナノファイバーなどの炭素材料を分離できる剪断力をエラストマーに与えることができればよい。炭素材料として、カーボンナノファイバー以外の例えばカーボンブラックなどを用いる場合も同様にして混練することができる。
【００４８】
上述したエラストマーにカーボンナノファイバーを分散させて両者を混合させる工程（混合・分散工程）によって得られた複合材料は、架橋剤によって架橋させて所望形状に成形するか、もしくは架橋させずに成形することができる。このようにして得られた複合材料は、工程（ａ−２）によって複合金属材料を得ることができる。
【００４９】
エラストマーと炭素材料との混合・分散工程において、あるいは続いて、通常、ゴムなどのエラストマーの加工で用いられる配合剤を加えることができる。配合剤としては公知のものを用いることができる。配合剤としては、例えば、架橋剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤などを挙げることができる。
【００５０】
（Ｃ）上記（Ｂ）で用いられたエラストマーについて説明する。
【００５１】
上記（Ｂ）で説明したように、炭素材料の内、特にカーボンナノファイバーは、凝集し易く、他の材料中に分散しにくいため、エラストマーは、分子量が好ましくは５０００ないし５００万、さらに好ましくは２万ないし３００万のものが用いられる。エラストマーの分子量がこの範囲であると、エラストマー分子が互いに絡み合い、相互につながっているので、エラストマーは、凝集したカーボンナノファイバーの相互に侵入しやすく、したがってカーボンナノファイバー同士を分離する効果が大きい。エラストマーの分子量が５０００より小さいと、エラストマー分子が相互に充分に絡み合うことができず、後の工程で剪断力をかけてもカーボンナノファイバーを分散させる効果が小さくなる。また、エラストマーの分子量が５００万より大きいと、エラストマーが固くなりすぎて加工が困難となる。
【００５２】
エラストマーは、主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、カーボンナノファイバー、特にその末端のラジカルに対して親和性を有する不飽和結合または基を有するか、もしくは、このようなラジカルまたは基を生成しやすい性質を有する。かかる不飽和結合または基としては、二重結合、三重結合、α水素、カルボニル基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、ニトリル基、ケトン基、アミド基、エポキシ基、エステル基、ビニル基、ハロゲン基、ウレタン基、ビューレット基、アロファネート基および尿素基などの官能基から選択される少なくともひとつであることができる。
【００５３】
カーボンナノファイバーは、通常、側面は炭素原子の６員環で構成され、先端は５員環が導入されて閉じた構造となっているが、構造的に無理があるため、実際上は欠陥を生じやすく、その部分にラジカルや官能基を生成しやすくなっている。本実施の形態では、エラストマーの主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、カーボンナノファイバーのラジカルと親和性（反応性または極性）が高い不飽和結合や基を有することにより、エラストマーとカーボンナノファイバーとを結合することができる。このことにより、カーボンナノファイバーの凝集力にうち勝ってその分散を容易にすることができる。
【００５４】
エラストマーとしては、天然ゴム（ＮＲ）、エポキシ化天然ゴム（ＥＮＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ，ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、クロロブチルゴム（ＣＩＩＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、エポキシ化ブタジエンゴム（ＥＢＲ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＣＥＯ）、ウレタンゴム（Ｕ）、ポリスルフィドゴム（Ｔ）などのエラストマー類；オレフィン系（ＴＰＯ）、ポリ塩化ビニル系（ＴＰＶＣ）、ポリエステル系（ＴＰＥＥ）、ポリウレタン系（ＴＰＵ）、ポリアミド系（ＴＰＥＡ）、スチレン系（ＳＢＳ）、などの熱可塑性エラストマー；およびこれらの混合物を用いることができる。
【００５５】
カーボンナノファイバーは、通常、相互に絡み合って媒体に分散しにくい性質を有する。しかし、本実施の形態の複合材料を金属の複合材料の原料として用いると、カーボンナノファイバーがエラストマーに既に分散した状態で存在するので、この原料と金属などの媒体とを混合することでカーボンナノファイバーを媒体に容易に分散することができる。
【００５６】
（Ｄ）次に、複合金属材料を得る工程（ａ−２）について説明する。
【００５７】
複合金属材料を得る工程（ａ-２）は、上記実施の形態で得られた複合材料を用いて、各種の成形方法を採用することができる。
【００５８】
例えば、上記実施の形態で得られた複合材料を冷凍粉砕して複合材料の粒子を得て、複合金属材料のマトリクスとなる金属の粒子と該複合材料の粒子とを混合（例えばドライブレンド）した後、粉末成形によって複合金属材料を得ることができる。粉末成形としては、例えば焼結法、粉末鍛造法、粉末射出法などがある。このような粉末成形によって製造された複合金属材料は、炭素材料を金属材料中に分散させることができる。この工程で用いられる他の金属の粒子は、前記複合材料を得るために用いられた金属の粒子と同じ材質が好ましいが、粒子の大きさは粉末成形によって得られる複合金属の用途などによって適宜選択することができる。また、粉末成形工程中においては、不活性雰囲気例えば窒素雰囲気中、窒素に少量の水素ガスを加えた弱還元雰囲気中、あるいは減圧した真空下で行うと、金属溶湯（例えば、アルミニウム溶湯）の酸化が防止され、より炭素材料との濡れ性がよくなるので望ましい。なお、この粉末成形工程において、複合材料のエラストマーは、熱によって分解され、除去される。
【００５９】
また、例えば上記実施の形態で得られた複合材料と流体状態の金属（金属溶湯）とを混合した後、固化して複合金属材料を得ることができる。このような鋳造工程は、まず、複合材料と金属溶湯との混合が行われる。坩堝に金属例えばアルミニウムを溶解（６５０〜８００℃）し、さらに溶解したアルミニウムを攪拌しながら複合材料を坩堝に投入し、混合する。このとき、攪拌は、一方向の回転でもよいが、３方向（３次元）に攪拌することで混合の効果は高くなる。空気雰囲気もしくは不活性雰囲気中で混合されたアルミニウム溶湯は、例えば鋼製の鋳型内に金属溶湯を注湯して行う金型鋳造法、ダイカスト法、低圧鋳造法を採用することができる。またその他特殊鋳造法に分類される、高圧化で凝固させる高圧鋳造法（スクイズカスティング）、溶湯を攪拌するチクソカスティング、遠心力で溶湯を鋳型内へ鋳込む遠心鋳造法などを採用することができる。これらの鋳造法においては、金属溶湯の中に複合材料を混合させたまま鋳型内で凝固させ、所望の形状を有する複合金属材料を成形する。
【００６０】
例えば、チクソカスティングにおいては、７００〜８００℃でアルミニウムを溶解した後、攪拌しながら温度を下げて４００〜６００℃でチクソトロピー状態を得て、その状態で複合材料を混合することが好ましい。チクソトロピー状態においては、粘度が大きくなるので、均一な分散を可能とする。これらの鋳造工程では、不活性雰囲気例えば窒素雰囲気中、窒素に少量の水素ガスを加えた弱還元雰囲気中、あるいは減圧した真空下で行うと、金属溶湯（例えば、アルミニウム溶湯）の酸化が防止され、より炭素材料との濡れ性がよくなるので望ましい。なお、この鋳造工程において、複合材料のエラストマーは、金属溶湯の熱によって分解され、除去される。
【００６１】
さらに、このような製造方法よって得られた複合金属材料を、例えばインゴットとして用いて、鋳造法、粉末鍛造法、粉末押出成形法、あるいは粉末射出成形法によって所望の形態に成形することもできる。
【００６２】
このような鋳造工程によって製造された複合金属材料は、カーボンナノファイバーを金属材料中に分散させることができる。
【００６３】
また、本実施の形態では、上記実施の形態で得られた複合材料に溶湯を浸透させるいわゆる非加圧浸透法を用いて鋳造する工程について、図２及び図３を用いて詳細に説明する。
【００６４】
図２及び図３は、非加圧浸透法によって複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。上記実施の形態で得られた複合材料は、例えば最終製品の形状を有する成形金型内で圧縮成形された複合材料４を使用することができる。複合材料４は、架橋されていないことが好ましい。架橋されていないことで、金属溶湯の浸透速度が速くなるためである。図２において、密閉された容器１内には、複合材料４、例えば架橋されていないエラストマー３０にカーボンナノファイバー４０が混入された複合材料４が入れられる。複合材料４は、図２の拡大図に示すようにエラストマー３０のマトリクス中にカーボンナノファイバー４０が分散された状態で成形されている。その複合材料４の上方に金属塊例えばアルミニウム塊５を配置される。次に、容器１に内蔵された図示せぬ加熱手段によって、容器１内に配置された複合材料４及びアルミニウム塊５をアルミニウムの融点以上に加熱する。加熱されたアルミニウム塊５は、溶融してアルミニウム溶湯（金属溶湯）となる。また、アルミニウム溶湯に接触した複合材料４中のエラストマー３０は、分解されて気化し、エラストマー３０が分解されてできた空所にアルミニウム溶湯（金属溶湯）が浸透する。
【００６５】
本実施の態様の複合材料４としては、エラストマー３０が分解されてできた空所が毛細管現象によってアルミニウム溶湯をより早く全体に浸透させることができる。アルミニウム溶湯は、還元されることでエラストマー３０内に毛細管現象によって浸透し複合材料の内部まで完全にアルミニウム溶湯が満たされる。
【００６６】
そして、容器１の加熱手段による加熱を停止させ、複合材料４中に浸透した金属溶湯を冷却・凝固させ、図３に示すようなカーボンナノファイバー４０が均一に分散された複合金属材料６を得ることができる。
【００６７】
また、図２において、容器１を加熱する前に、容器１の室内を容器１に接続された減圧手段２例えば真空ポンプによって脱気してもよい。さらに、容器１に接続された不活性ガス注入手段３例えば窒素ガスボンベから窒素ガスを容器１内に導入してもよい。
【００６８】
金属溶湯にアルミニウムを用いた場合、アルミニウム塊５の表面は酸化物で覆われているが、アルミニウム溶湯を浸透させたときに、熱分解されたエラストマーの分子先端はラジカルになり、そのラジカルによってアルミニウム溶湯の表面にある酸化物（アルミナ）を還元すると考えられる。したがって、本実施の形態においては、複合材料に含まれるエラストマーの分解によって内部まで還元雰囲気を生成させることができるので、従来のように還元雰囲気の処理室を用意しなくても非加圧浸透法による鋳造を実施できる。また、複合材料中にあらかじめ還元剤としてマグネシウム粒子を混入させておくことによって、還元作用を促進することもできる。
【００６９】
また、アルミニウム溶湯の浸透によって分解されたエラストマー分子のラジカルによって炭素材料、例えばカーボンナノファイバーの表面が活性化して、アルミニウム溶湯との濡れ性が向上する。このようにして得られた複合金属材料は、アルミニウムのマトリックス内に均一に分散した炭素材料を有する。
【００７０】
さらに、上記実施の形態においては、非加圧浸透法について説明したが、浸透法であればこれに限らず例えば不活性ガス雰囲気の圧によって加圧する加圧浸透法を用いることもできる。
【００７１】
なお、上記実施の形態のような浸透法によれば、複合材料中のエラストマー及び空孔が金属材料に置換されるため、他の鋳造法に比べ、カーボンナノファイバーの分散状態が均一であり比較的有利である。
【００７２】
これら工程（ａ−２）に用いる金属は、通常の粉末成形・鋳造加工に用いられる金属例えば鉄及びその合金、アルミニウム及びその合金、チタン及びチタン合金、マグネシウム及びその合金、銅及びその合金、亜鉛及びその合金などから用途に合わせて単独でもしくは組み合わせて適宜選択することができる。
【００７３】
図３の部分拡大図には、このようにして得られた複合金属材料６の一部を拡大した模式図が示されている。図３の部分拡大図に示すように、炭素材料（カーボンナノファイバー４０）の周りに工程（ａ−２）で用いられた金属５によって被覆層５０が形成され、被覆層５０以外の部分は金属６０で満たされている。被覆層５０は、カーボンナノファイバー４０（炭素材料）を拘束するように全体を覆うとともに、他の被覆層５０と部分的に連結している。
【００７４】
このような浸透法で得られた被覆層５０は、その製造工程中の窒素雰囲気によって組成がＡｌ／Ｎ／Ｏの化合物で形成され、被覆層５０の周囲を満たす金属６０の純アルミニウムよりも高融点、高強度を有する。したがって、工程（ａ−２）における雰囲気ガスの種類や濃度によって、被覆層５０を構成するアルミニウム化合物の組成を適宜調整することができる。
【００７５】
（Ｅ）次に、複合金属材料から炭素材料の周りに形成された被覆層を残して金属を除去する工程（ｂ）について説明する。
【００７６】
複合金属材料から被覆層を残して金属を除去する工程（ｂ）によって、多孔質複合金属材料が得られる。工程（ｂ）は、前記複合金属材料を加熱して、前記被覆層を残して前記金属を蒸発させて除去する蒸発法を採用することができる。また、工程（ｂ）は、前記複合金属材料を酸によって、前記被覆層を残して前記金属を溶解して除去する処理を採用することができる。
【００７７】
本実施の形態では、上記実施の形態で得られた複合材料を加熱して、前記被覆層を残して前記金属を蒸発させて除去する真空蒸発法について、図４及び図５を用いて詳細に説明する。
【００７８】
図４には、真空蒸発法に用いる装置の概略構成図が示されている。図４に示すように、上記工程（ａ−２）で得られたアルミニウムをマトリクスとする複合金属材料６を、真空チャンバ７内の板状電極８の上に配置する。そして、減圧手段によって真空チャンバ７内を１０−３〜１０−４Ｐａ（パスカル）まで減圧する。板状電極８に通電し、複合金属材料６を金属６０が蒸発する温度、例えばアルミニウムの場合には１０００℃まで加熱する。複合金属材料６の被覆層５０を除く金属６０が蒸発し、蒸発した金属６０は複合金属材料６の上方に離間配置した基板９に付着する。複合金属材料６は、被覆層５０を残して金属６０を蒸発して除去したため、金属６０のなくなった箇所は、図５の部分拡大図に示すように空孔８０となり、多孔質複合金属材料７０が得られる。
【００７９】
以上のようにして製造された多孔質複合金属材料７０は、全体に空孔８０が分散して形成された多孔質体であり、被覆層５０同士が部分的に連結し、その多数の連結部分によって全体の形態を維持している。被覆層５０は、炭素材料例えばカーボンナノファイバー４０の周りに形成されている。炭素材料例えばカーボンナノファイバー４０と被覆層５０との濡れ性はよく、複合金属材料として十分な強度を有している。
【００８０】
多孔質複合金属材料７０の被覆層５０は、工程（ａ−２）で混合された金属またはその金属化合物で形成され、アルミニウムを用いた場合には、アルミニウムまたはアルミニウム化合物である。
【００８１】
工程（ｂ）における金属を加熱して除去する方法は、これに限らず、本発明の目的の範囲内で種々の方法を選択することができる。また、化学的な処理方法として、酸を用いて金属を溶解し、除去する方法も採用することができる。
【実施例】
【００８２】
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００８３】
（ａ−１）未架橋の複合材料の作製
第１の工程：ロール径が６インチのオープンロール（ロール温度１０〜２０℃）に、所定量（１００ｇ）のエラストマー（１００重量部（ｐｈｒ））を投入して、ロールに巻き付かせた。エラストマーは、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）を用いた。
【００８４】
第２の工程：エラストマーに対して２０重量部（ｐｈｒ）のカーボンナノファイバーをエラストマーに投入した。このとき、ロール間隙を１．５ｍｍとした。カーボンナノファイバーは、直径（繊維径）が約１０〜２０ｎｍのものを用いた。
【００８５】
第３の工程：カーボンナノファイバーを投入し終わったら、エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物をロールから取り出した。
【００８６】
第４の工程：ロール間隙を１．５ｍｍから０．３ｍｍと狭くして、混合物をオープンロールに投入して薄通しをした。このとき、２本のロールの表面速度比を１．１とした。薄通しは繰り返し１０回行った。
【００８７】
第５の工程：ロールを所定の間隙（１．１ｍｍ）にセットして、薄通しした混合物を投入し、分出しした。
【００８８】
このようにして、未架橋の複合材料を得た。
【００８９】
（ａ−２）複合金属材料の作製
前述の（ａ−１）で得られた未架橋の複合材料を容器（炉）内に配置させ、アルミニウム塊（地金）をその上に置き、不活性ガス（窒素）雰囲気中でアルミニウムの融点まで加熱した。アルミニウム塊は溶融し、アルミニウム溶湯となり、複合材料のエラストマーと置換するように金属溶湯が浸透した。アルミニウムの溶湯を浸透させた後、これを自然放冷して凝固させ、複合金属材料を得た。
【００９０】
（ｂ）多孔質金属材料の作製
前述の（ａ−２）で得られた複合金属材料を、１０−４Ｐａ真空チャンバの電極上に配置し、１０００℃まで加熱した。複合金属材料の金属が蒸発し、多孔質複合金属が得られた。真空チャンバの基板には蒸発した金属が付着しており、この金属の材質を調べたところ、アルミニウムであることがわかった。
【００９１】
このようにして得られたカーボンナノファイバーを含有する多孔質複合金属材料は、気孔率が４０％であった。多孔質複合金属材料のカーボンナノファイバーの周りに形成された被覆層は、Ｘ線光電子分光分析で調べた結果、ＡＬ／Ｎ／Ｏ化合物であった。
【００９２】
図６は、得られた多孔質複合金属材料を撮影したＳＥＭ像である。図６における複雑に絡み合い、かつ部分的に結合している繊維状の部分が、直径約１０ｎｍ〜２０ｎｍのカーボンナノファイバーの周りに直径約１００ｎｍ〜２００ｎｍに形成された被覆層である。被覆層は、互いに部分的に連結し、被覆層同士の間には空孔が多数観察された。この撮影条件は、加速電圧が１２ｋＶで、倍率が３．０ｋであった。
【００９３】
以上のことから、本発明によれば、一般に基材への分散が非常に難しいカーボンナノファイバーが多孔質複合金属材料中に均一に分散されることが明かとなった。また、カーボンナノファイバーの周りに形成された被覆層同士は相互に連結され、多孔質複合金属材料の形態を安定して維持できることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本実施の形態で用いたオープンロール法によるエラストマーとカーボンナノファイバーとの混練法を模式的に示す図である。
【図２】非加圧浸透法によって複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。
【図３】非加圧浸透法によって複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。
【図４】真空蒸発法によって多孔質複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。
【図５】多孔質複合金属材料を模式的に示す図である。
【図６】本実施例で得られた複合金属材料のＳＥＭ像を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
１  容器
２  減圧手段
３  注入手段
４  複合材料
５  アルミニウム塊
６  複合金属材料
７  真空チャンバ
８  電極
９  基板
１０  第１のロール
２０  第２のロール
３０  エラストマー
４０  カーボンナノファイバー
５０  被覆層
６０  金属
７０  多孔質複合金属
８０  空孔
【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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