(57)【要約】【課題】高強度および高電気伝導率を兼備した高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料およびその製造方法を提供すること目的とする。【解決手段】アルミニウム合金マトリックス１に、均一に分散されたカーボンナノチューブ３を含有することによって、超微細強化効果により、高強度および高電気伝導率を兼備したアルミニウム合金基複合材料を得ることができる。また、本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料を送電線、リード線、熱交換器に用いることによって、高い電気伝導率や高い熱伝導率を維持して、材料の薄肉化による軽量化および小型化を促進することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金マトリックス中に、直径が１ｎｍ〜１００ｎｍで、アスペクト比が１０〜１００の単層または多層の構成を有するカーボンナノチューブが０．１〜１０体積％含有されていることを特徴とする高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料。
【請求項２】
前記アルミニウム合金マトリックスは、Ｆｅを０．５重量％以下およびＳｉを０．５重量％以下含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物であることを特徴とする請求項１記載の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブの表面は、金属またはセラミックスで被覆されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の高強度高電気伝導アルミニウム合金基複合材料。
【請求項４】
前記金属または前記セラミックスは、前記カーボンナノチューブの表面に、化学的方法または物理的方法によって、被覆または結合されることを特徴とする請求項３記載の高強度高電気伝導アルミニウム合金基複合材料。
【請求項５】
アルミニウム合金マトリックスとなるアルミニウム合金粉末とカーボンナノチューブとを所定の比率で均一に混合する混合工程と、
この混合物を加圧後加熱して、または同時に加圧および加熱して複合化する複合化工程と
を具備することを特徴とする高強度高電気伝導アルミニウム合金基複合材料の製造方法。
【請求項６】
アルミニウム合金マトリックスとなるアルミニウム合金粉末を加熱して半溶融状態にする半溶融工程と、
その半溶融状態のアルミニウム合金を連続的に攪拌しながら所定量のカーボンナノチューブを添加して複合化する複合化工程と
を具備することを特徴とする高強度高電気伝導アルミニウム合金基複合材料の製造方法。
【請求項７】
所定量のカーボンナノチューブを加圧して、無数の連通孔を有する多孔質体からなる予備成形体を形成する予備成形体形成工程と、
この予備成形体に、溶融したアルミニウム合金を含浸させて複合化する複合化工程と
を具備することを特徴とする高強度高電気伝導アルミニウム合金基複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送電線、リード線等の導電体やラジエータ、コンデンサ、エバポレータ等の熱交換器に使用される高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、送電線、リード線などを構成するアルミニウム合金などの導電材料や熱交換器に使用される材料は、高い電気伝導率や高い熱伝導率が要求されている。また、最近、地球環境保護などの観点から、送電線、リード線、熱交換器などは、軽量化および小型化が要求される方向にあり、送電線、リード線の微細化、熱交換器に使用される材料の薄肉化が推進される一方で、高強度も強く要求されている。
【０００３】
従来、高強度、高電気伝導度アルミニウム合金として、Ａｌ−Ｍｎ合金、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ合金が用いられている。しかし、このような合金では、Ｍｎの固溶度が高くなると電気伝導率が著しく低下するとともに、熱伝導性が悪化する。また、Ｍｎを含まないＡｌ−Ｆｅ合金やＡｌ−Ｆｅ−Ｎｉ合金が提案されているが、強度不足のため、十分に薄肉化できないことがあった。
【０００４】
そこで、Ａｌ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｒ合金のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒの含有量を制限し、アルミニウム合金中の第２相粒子の密度を５×１０６個／ｍｍ２に規定することにより、高強度および高熱伝導率を図ったアルミニウム合金が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２８８５２２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ａｌ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｒ合金のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒの含有量を制限し、アルミニウム合金中の第２相粒子の密度を５×１０６個／ｍｍ２に規定する合金法で製造されたアルミニウム合金においては、例えば、電気伝導率５２％ＩＡＣＳで、引張強度が１３３ＭＰａ程度であった。この結果から従来のアルミニウム合金では、強度が低く、要求される強度を得るためには、所定の肉厚が必要になり、十分な薄肉化を図ることは困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高強度および高電気伝導率を兼備した高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料およびその製造方法を提供すること目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、アルミニウム合金マトリックス中に、直径が１ｎｍ〜１００ｎｍで、アスペクト比が１０〜１００の単層または多層の構成を有するカーボンナノチューブが０．１〜１０体積％含有されていることを特徴とする。
【０００９】
カーボンナノチューブの直径Ｄは、カーボンナノチューブの外径を意味する。また、アスペクト比は、カーボンナノチューブの軸方向の長さＬをカーボンナノチューブの直径Ｄで除したもの（Ｌ／Ｄ）である。なお、ここで用いるアスペクト比の範囲は、アスペクト比の平均値がその範囲にあることを示している。
【００１０】
また、アルミニウム合金マトリックスは、Ｆｅを０．５重量％以下およびＳｉを０．５重量％以下含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物であることを特徴とする。このように、アルミニウム合金マトリックスは、鉄（Ｆｅ）、珪素（Ｓｉ）およびその他の不純物の含有量が極力制限されているので、電気伝導率の低下を回避することができる。
【００１１】
さらに、カーボンナノチューブの表面は、金属材料またはセラミックス材料で被覆されていることを特徴とする。
【００１２】
カーボンナノチューブの表面を被覆する被覆材料の物理的特性は、導電性または半導電性であり、アルミニウム合金と界面反応を生じるものであることが好ましい。また、被覆材料として絶縁材料も使用することができる。
【００１３】
被覆材料は、カーボンナノチューブの表面に、化学的方法または物理的方法によって、被覆または結合される。化学的方法としては、例えば、化学的気相成長（ＣＶＤ）などが、物理的方法としては、例えば、スパッタリング法、熱蒸発法などが利用される。
【００１４】
本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、アルミニウム合金マトリックスとなるアルミニウム合金粉末とカーボンナノチューブとを所定の比率で均一に混合する混合工程と、この混合物を加圧後加熱して、または同時に加圧および加熱して複合化する複合化工程とによって形成される。このように、高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、粉末冶金的方法によって製造することができる。
【００１５】
また、本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、アルミニウム合金マトリックスとなるアルミニウム合金粉末を加熱して半溶融状態にする半溶融工程と、その半溶融状態のアルミニウム合金を連続的に攪拌しながら所定量のカーボンナノチューブを添加して複合化する複合化工程とによって形成される。このように、高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、半溶融攪拌凝固的方法によって製造することができる。
【００１６】
さらに、本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、所定量のカーボンナノチューブを加圧して、無数の連通孔を有する多孔質体からなる予備成形体を形成する予備成形体形成工程と、この予備成形体に、溶融したアルミニウム合金を含浸させて複合化する複合化工程とによって形成される。このように、高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、溶湯加圧含侵的方法によって製造することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施の形態のアルミニウム合金基複合材料を模式的に示す断面図である。
【００１９】
同図において、本発明のアルミニウム合金基複合材料のアルミニウム合金マトリックス１中には、炭素とは異なる材料で、金属またはセラミックスの材料で構成される被覆材料２で被覆されたカーボンナノチューブ３が均一に分散されている。
【００２０】
アルミニウム合金マトリックス１中にカーボンナノチューブ３を含有させることで、超微細分散強化により、少ないカーボンナノチューブ３の含有量で電気伝導率を大きく低下させることなく、強度を飛躍的に向上させることができる。なお、アルミニウム合金マトリックス１中に含有されるのは、カーボンナノチューブ３に限らず、フラーレン、カーボンナノホーンなどでもよい。また、これらのカーボンナノチューブ３、フラーレン、カーボンナノホーンが混在して含有されてもよい。
【００２１】
カーボンナノチューブ３の大きさは、直径が１ｎｍ〜１００ｎｍで、アスペクト比が１０〜１００の範囲で複合材料の要求特性に応じて適宜に設定されるものである。直径が１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲のカーボンナノチューブ３を用いることで、カーボンナノチューブ３をアルミニウム合金マトリックス１中に均一に分散することができる。カーボンナノチューブ３の直径が、１ｎｍ未満および１００ｎｍを越えるものは製造が難しい。また、カーボンナノチューブ３のアスベクト比が１０未満では十分な強化効果を発揮できず、アスベクト比が１００を越えると歩留が低下し、不経済的である。カーボンナノチューブ３の大きさのより好ましい範囲は、直径が１０ｎｍ〜２０ｎｍ、アスペクト比が１０〜２０である。また、工業的に製造された直径が数百ｎｍのカーボンナノチューブ３も適用することができる。
【００２２】
アルミニウム合金マトリクス１中に均一に分散されるカーボンナノチューブ３の含有率は、１〜１０体積％の範囲において、目標の電気伝導率と強度によって、適宜に選定される。カーボンナノチューブ３の含有率が０．１体積％未満では十分な強化効果を発揮できず、含有率が１０体積％を越えてもそれ以上の強化効果が得られず、材料コストが高くなる。
【００２３】
また、アルミニウム合金マトリックス１に含有される鉄は、０．０１〜０．５重量％である。また、アルミニウム合金マトリックス１に含有される珪素は、０．０１〜０．５重量％である。
【００２４】
このアルミニウム合金基複合材料は、例えば次のようにして製造される。
まず、カーボンナノチューブ３を被覆する被覆材料２を選択し、カーボンナノチューブ３の表面にスパッタリング法または電子ビーム蒸着法によって、選択された被覆材料２の蒸着膜を形成する。カーボンナノチューブ３の表面を被覆している被覆材料２としては、アルミニウムおよびアルミニウム合金中に含有するＦｅ、Ｓｉ、その他の不純物元素との濡れ性、化学反応の度合を考慮して、金属材料では、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏなど、セラミックス材料では、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＴｉＣなどが適している。
【００２５】
ここで、カーボンナノチューブ３が超微細なため、カーボンナノチューブ３の表面が絶縁材料で被覆されてもよく、これによって複合材料の電気伝導率が大きく低下することはない。なお、被覆材料２としてＡｌ２Ｏ３などの絶縁材料を用いる場合には、含有されるカーボンナノチューブは５体積％以下が好ましく、より好ましくは３体積％以下である。
【００２６】
また、カーボンナノチューブ３の表面に形成される被覆材料２の厚みは、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で複合材料の要求特性に応じて適宜に設定されるものである。被覆材料２の厚みは、１ｎｍ未満では製造が難しく、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で十分な反応防止効果が発揮されるので１００ｎｍより厚い皮膜を形成しても材料および生産コストを高くするだけで不経済的である。被覆材料２の厚みのより好ましい範囲は、１０ｎｍ〜５０ｎｍである。
【００２７】
このようにして得られた被覆材料２が被覆されたカーボンナノチューブ３と、アルミニウム合金マトリックス１になるアルミニウム合金粉末とを所定の比率で混合し、さらに、アルミニウム合金粉末にカーボンナノチューブ３が均一に分散するように、例えば、攪拌などによって混合する。そして、その混合物を金型に充填し、加圧および加熱してカーボンナノチューブ３とアルミニウム合金粉末とを一体に融着させて、図１に示す複合材料が得られる。
【００２８】
また、アルミニウム合金マトリックスとなるアルミニウム合金粉末を加熱して半溶融状態にし、その半溶融状態のアルミニウム合金を連続的に攪拌しながら、金属またはセラミックスの材料で構成される被覆材料２が被覆されたカーボンナノチューブ３を所定量添加して複合化させることによっても、図１に示す複合材料を得ることができる。
【００２９】
さらに、金属またはセラミックスの材料で構成される被覆材料２が被覆されたカーボンナノチューブ３を所定の形状に加圧成形して多孔質成形体を構成し、この多孔質成形体にアルミニウム合金マトリックス１となるアルミニウム合金を溶融して含浸させることによっても、図１に示す複合材料を得ることができる。
【００３０】
カーボンナノチューブ３の表面は、被覆材料２によって被覆されることが好ましいが、例えば、粉末冶金的方法を用いて複合材料を形成する場合には、カーボンナノチューブ３の表面を被覆材料２によって被覆せずに複合材料を構成することもできる。
【００３１】
ここで、カーボンナノチューブ３は、高温、例えば、アルミニウムの融点でＡｌと界面反応を起し、カーボンナノチューブ３の形状が崩壊され、超微細分散強化の効果を十分に発揮できない場合がある。しかし、本発明では、例えば、融点に達したアルミニウムを使用するときでも、予めカーボンナノチューブ３の表面に金属またはセラミックスの材料によって被膜が形成されているため、カーボンナノチューブ３の形状が崩壊されることはない。また、カーボンナノチューブ３の表面に被膜が形成されていない場合でも、アルミニウムの融点よりも低い温度で複合材料を形成する、例えば、粉末冶金的方法などを用いれば、カーボンナノチューブ３の形状が崩壊されることはない。
【００３２】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００３３】
（実施例１）
直径が約１ｎｍ、アスペクト比が約２０のカーボンナノチューブの表面にスパッタリング法により厚さ約２０ｎｍの銀（Ａｇ）蒸着膜を形成した。次に、表１に示すように、鉄（Ｆｅ）を０．２５重量％、珪素（Ｓｉ）を０．２５重量％、銅（Ｃｕ）を０．０５重量％およびマンガン（Ｍｎ）を０．０５重量％含有する平均直径１００ｎｍのアルミニウム合金粉末に銀蒸着したカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブの含有率が３体積％になるように混合した。そして、アルミニウム合金粉末に均一にカーボンナノチューブが分散するように、その混合粉末を攪拌した。
【００３４】
続いて、その混合粉末を金型に充填して、圧力５００ＭＰａ、温度７２３Ｋで、１時間加圧加熱し、厚さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを成形した。次に、成形したインゴットを厚さ１０ｍｍまで圧延し、図１に示すような、アルミニウム合金と表面に銀蒸着膜を形成するカーボンナノチューブとの複合材料を得た。
【００３５】
得られた複合材料の引張強度と電気伝導率を測定した結果、引張強度は２００ＭＰａ、電気伝導率は６０％ＩＡＣＳであった。このようにして、高強度および高電気伝導率を兼備したアルミニウム合金基複合材料を得ることができた。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
（実施例２）
直径が約１ｎｍ、アスペクト比が約２０のカーボンナノチューブの表面にスパッタリング法により厚さ約２０ｎｍの銀蒸着膜を形成した。次に、表１に示すように、鉄を０．２５重量％、珪素を０．３０重量％、銅を０．０５重量％およびマンガンを０．０５重量％含有する平均直径１００ｎｍのアルミニウム合金粉末に、銀蒸着したカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブの含有率が１０体積％になるように混合した。そして、アルミニウム合金粉末に均一にカーボンナノチューブが分散するように、その混合粉末を攪拌した。
【００３８】
続いて、その混合粉末を金型に充填して、圧力５００ＭＰａ、温度７２３Ｋで、１時間加圧加熱し、厚さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを成形した。次に、成形したインゴットを厚さ１０ｍｍまで圧延し、図１に示すような、アルミニウム合金と表面に銀蒸着膜を形成するカーボンナノチューブとの複合材料を得た。
【００３９】
得られた複合材料の引張強度と電気伝導率を測定した結果、引張強度は２７５ＭＰａ、電気伝導率は５６％ＩＡＣＳであった。このようにして、電気伝導率を大きく低下させずに強度を著しく向上させることができる。
【００４０】
（実施例３）
直径が約１ｎｍ、アスペクト比が約２０のカーボンナノチューブの表面に電子ビーム蒸着法により厚さ約５０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）蒸着膜を形成した。次に、窒化アルミニウムを蒸着したカーボンナノチューブを金型内に均一に分散させて充填し、圧力約５０ＭＰａで圧縮成形し、カーボンナノチューブの含有率が１０体積％の予備成形体を作成した。
【００４１】
続いて、表１に示す鉄を０．５０重量％、珪素を０．５０重量％、銅を０．０５重量％およびマンガンを０．０５重量％含有するアルミミウム合金を９７３Ｋに加熱し、溶融したアルミニウム合金を予め予備成形体を挿入した金型に注入し、圧力約５０ＭＰａで厚さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを成形した。次に、成形したインゴットを厚さ１０ｍｍまで圧延し、図１に示すような、アルミニウム合金と表面に窒化アルミニウム蒸着膜を形成するカーボンナノチューブとの複合材料を得た。
【００４２】
得られた複合材料の引張強度と電気伝導率を測定した結果、引張強度は２６０ＭＰａ、電気伝導率は５２％ＩＡＣＳであった。このようにして、電気伝導率を大きく低下させずに強度を著しく向上させることができる。
【００４３】
（比較例１）
比較例１では、表１に示すように、鉄を０．２５重量％、珪素を０．３０重量％、銅を０．０５重量％およびマンガンを０．０５重量％含有する平均直径１００ｎｍのアルミニウム合金粉末を金型に充填して、圧力５００ＭＰａ、温度７２３Ｋで、１時間加圧加熱し、厚さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを成形した。次に、成形したインゴットを厚さ１０ｍｍまで圧延し、アルミニウム合金を得た。つまり、このアルミニウム合金は、実施例２においてカーボンナノチューブを含有せずに形成されたものに対応する。
【００４４】
得られたアルミニウム合金の引張強度と電気伝導率を測定した結果、電気伝導率は６２％ＩＡＣＳを確保できたが、引張強度は１２０ＭＰａと低い。なお、実施例２における複合材料の引張強度は、このアルミニウム合金の引張強度の２倍以上となっている。
【００４５】
（比較例２）
比較例２では、表１に示すように、鉄を０．２５重量％、珪素を０．２５重量％、銅を０．０５重量％およびマンガンを０．０５重量％含有する平均直径１００ｎｍのアルミニウム合金粉末に、平均粒径１０μｍの炭化珪素（ＳｉＣ）粒子を、炭化珪素粒子の含有率が２０体積％になるように混合した。そして、アルミニウム合金粉末に均一に炭化珪素粒子が分散するように、その混合粉末を攪拌した。
【００４６】
続いて、その混合粉末を金型に充填し、圧力５００ＭＰａ、温度７２３Ｋで、１時間加圧加熱し、厚さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを成形した。次に、成形したインゴットを厚さ１０ｍｍまで圧延し、アルミニウム合金と炭化珪素粒子との複合材料を得た。
【００４７】
得られたアルミニウム合金の引張強度と電気伝導率を測定した結果、引張強度は１３５ＭＰａ、電気伝導率は４９％ＩＡＣＳであった。このように、平均粒径１０μｍでは、十分な分散強化を発揮することができず、炭化珪素粒子の含有率の増加に伴い電気伝導率は低下する。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料およびその製造方法によれば、アルミニウム合金マトリックスにカーボンナノチューブを含有することによって、超微細強化効果により、高強度および高電気伝導率を兼備したアルミニウム合金基複合材料を得ることができる。また、本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料を送電線、リード線、熱交換器に用いることによって、高い電気伝導率や高い熱伝導率を維持して、材料の薄肉化による軽量化および小型化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のアルミニウム合金基複合材料を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１…アルミニウム合金マトリックス
２…被覆材料
３…カーボンナノチューブ
【図１】
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