(57)【要約】 【課題】  炭素繊維の分散性を向上させ、機械強度を向上させた炭素繊維強化アルミニウム複合材料およびその製造方法を提供する。【解決手段】  まず混合工程において、アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子と、ニッケルまたはニッケル合金がめっきされためっき炭素繊維とを分散混合させる。アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子は、平均粒子径が０．１〜１０ｍｍであり、めっき炭素繊維は、アスペクト比０．１〜１００,０００、繊維径０．１〜３０μｍである。このようにして得た混合物を、焼結工程で焼結させることによって炭素繊維強化アルミニウム複合材料を得る。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒子径が０．１〜１０ｍｍのアルミニウムまたはアルミニウム合金粒子と、アスペクト比
０．１〜１００,０００、繊維径０．１〜３０μｍの炭素繊維表面にニッケルまたはニッケル合金がめっきされためっき炭素繊維とを混合する混合工程と、
前記アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子と前記めっき炭素繊維との混合物を焼結させる焼結工程とを含むことを特徴とする炭素繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記混合工程では、乾式による分散混合を行うことを特徴とする請求項１記載の炭素繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記めっき炭素繊維は、混合物中の含有量が１〜７０重量％であることを特徴とする請求項１または２記載の炭素繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の炭素繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする炭素繊維強化アルミニウム複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化アルミニウム複合材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
素材の軽量化かつ高強度化が実現されることによって、たとえば建築素材であれば、構築物を高層化して土地を有効活用することが可能になり、また車両、航空機などの素材であれば燃料の節約が可能になることから、種々の試みがなされている。
【０００３】
素材と素材とを複合させた材料による軽量化かつ高強度化も試みの一つであり、たとえば繊維強化プラスチック（略称ＦＲＰ）などが良く知られている。一般的なＦＲＰは、エポキシ樹脂をマトリックス（基材）とし、基材中に炭素繊維などの強化用繊維を混在させたものである。しかしながら、エポキシ樹脂を基材とするＦＲＰは、耐熱温度が約２００℃と低いので、常温での用途、たとえば貯水槽などの用途では問題が無いけれども、自動車の高温度に曝される部材のような用途には適用できないという問題がある。
【０００４】
このような問題に対して、ポリエーテルエーテルケトンまたはポリイミドなどの熱可塑性プラスチックを基材とすることによって、耐熱温度を高めたＦＲＰがあるけれども、その耐熱温度は高々４００℃程度であり、耐熱温度を高めることによって成形が難しくなり、また樹脂が高価なので汎用性に劣るという問題がある。
【０００５】
したがって、自動車の高温度に曝される部材のような用途を対象として、金属を基材とする複合材料の開発が試みられ、基材用の金属の中でも、比重が小さく軽量化に適すること、また加工性、耐食性、熱伝導性に優れることから、アルミニウムが注目されている。
【０００６】
たとえば、特許文献１記載のアルミニウム基複合材料は、炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０で、かつ体積充填率が２０〜３５％となるように、炭素繊維をアルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに分散させている。
【０００７】
これによって、熱ストレスに強いアルミニウム基複合材料を得ることを可能としている。
【０００８】
また特許文献２記載の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料は、炭素繊維の表面に複数の金属層を形成し、炭素繊維に接する金属層を、炭素と固溶体を形成することができる第１の金属によって構成し、基材と接する金属層を、第１の金属と、基材と固溶体を形成することができる第２の金属とを含み、第１の金属と第２の金属との組成比が遷移的に変化するように構成している。
【０００９】
これによって、基材であるアルミニウムまたはアルミニウム合金と炭素繊維との接合強度を高めている。
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１９９９４９号公報
【特許文献２】特開平２００５−８２８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の技術では、基材であるアルミニウムまたはアルミニウム合金への炭素繊維の分散性が悪く、混合不良を引き起こすことになる。
【００１２】
本発明の目的は、炭素繊維の分散性を向上させ、機械強度を向上させた炭素繊維強化アルミニウム複合材料およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、平均粒子径が０．１〜１０ｍｍのアルミニウムまたはアルミニウム合金粒子と、アスペクト比０．１〜１００,０００、繊維径０．１〜３０μｍの炭素繊維表面にニッケルまたはニッケル合金がめっきされためっき炭素繊維とを混合する混合工程と、
前記アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子と前記めっき炭素繊維との混合物を焼結させる焼結工程とを含むことを特徴とする炭素繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法である。
【００１４】
また本発明は、前記混合工程では、乾式による分散混合を行うことを特徴とする。
また本発明は、前記めっき炭素繊維は、混合物中の含有量が１〜７０重量％であることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、上記の炭素繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする炭素繊維強化アルミニウム複合材料である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、まず混合工程において、アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子と、ニッケルまたはニッケル合金がめっきされためっき炭素繊維とを分散混合させる。アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子は、平均粒子径が０．１〜１０ｍｍであり、めっき炭素繊維は、アスペクト比０．１〜１００,０００、繊維径０．１〜３０μｍである。
【００１７】
このようにして得た混合物を、焼結工程で焼結させることによって炭素繊維強化アルミニウム複合材料を得る。
【００１８】
これにより、混合工程での分散混合性が向上するので、焼結によって得られた炭素繊維強化アルミニウム複合材料中の炭素繊維の分散性も向上し、複合材料の機械強度を向上させることができる。
【００１９】
また本発明によれば、前記混合工程では、乾式による分散混合を行うことにより、さらに分散性を向上させることができる。
【００２０】
また本発明によれば、前記めっき炭素繊維は、混合物中の含有量が１〜７０重量％である。含有量が１重量％よりも低いと十分な機械強度が得られず、７０重量％よりも高いと、複合材料が形成できず、材料分離をおこしてしまう。
【００２１】
また本発明によれば、上記の炭素繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法を用いて製造された炭素繊維強化アルミニウム複合材料である。
【００２２】
これにより、炭素繊維強化アルミニウム複合材料中の炭素繊維の分散性が向上し、機械強度を向上させた複合材料を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の炭素繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法は、平均粒子径が０．１〜１０ｍｍのアルミニウムまたはアルミニウム合金粒子と、アスペクト比０．１〜１００,０００、繊維径０．１〜３０μｍの炭素繊維表面にニッケルまたはニッケル合金がめっきされためっき炭素繊維とを混合し、これらの混合物を焼結（シンタリング）させて炭素繊維強化アルミニウム複合材料を得ることを特徴としている。
【００２４】
複合材料の基材となるアルミニウムまたはアルミニウム合金は、平均粒子径が０．１〜１０ｍｍとなるように粒子状に形成されて炭素繊維に混合される。
【００２５】
アルミニウム合金としては公知のものを使用でき、たとえば、アルミニウム−銅、アルミニウム−亜鉛、アルミニウム−マンガン、アルミニウム−マグネシウム、アルミニウム−マグネシウム−マンガン、アルミニウム−マグネシウム−珪素、アルミニウム−珪素、アルミニウム−銅−マグネシウム、アルミニウム−亜鉛−マグネシウム、アルミニウム−亜鉛−マグネシウム−銅などが挙げられる。基材は、得られる炭素繊維強化アルミニウム複合材料の用途などに応じて適宜選択すればよい。
【００２６】
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粒子化は、公知の方法で実施することが可能であり、たとえば、アトマイズ法などが挙げられる。
【００２７】
平均粒子径を、０．１〜１０ｍｍとすることで、めっき炭素繊維との混合時に分散性が向上し、ひいては炭素繊維強化アルミニウム複合材料における炭素繊維の分散性が向上するので、その結果炭素繊維強化アルミニウム複合材料の強度を向上させることができる。アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子の平均粒子径が上記の範囲を外れると、炭素繊維との混合時に分散性が低下してしまう。
【００２８】
強化繊維であるめっき炭素繊維の芯材となる炭素繊維としては公知のものを使用でき、たとえば、ピッチ系炭素繊維、液晶系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、気相成長系炭素繊維などが挙げられる。これらの中でも、引張強度、引張弾性率などを考慮すると、ピッチ系炭素繊維、ＰＡ系炭素繊維、気相成長系炭素繊維などが好ましい。炭素繊維は１種を単独で使用できまたは２種以上を併用できる。
【００２９】
炭素繊維のアスペクト比は０．１〜１００,０００が好ましく、さらに好ましくは１０〜１０００である。また炭素繊維の繊維径は０．１〜３０μｍが好ましく、さらに好ましくは３〜１０μｍである。
【００３０】
炭素繊維のアスペクト比および繊維径を上記のような範囲に規定することで、アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子との混合時に分散性が向上し、ひいては炭素繊維強化アルミニウム複合材料における炭素繊維の分散性が向上するので、その結果炭素繊維強化アルミニウム複合材料の強度を向上させることができる。
【００３１】
炭素繊維のアスペクト比および繊維径が上記の範囲を外れると、アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子との混合時に分散性が低下してしまう。
【００３２】
このような炭素繊維の表面をニッケルまたはニッケル合金、好ましくはニッケルを含む金属層でめっきすることにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子との混合分散性を向上させることができ、炭素繊維とアルミニウムまたはアルミニウム合金との密着性を向上させることができる。
【００３３】
ニッケル合金としては公知のものを使用でき、たとえば、ニッケル−銅、ニッケル−クロム、ニッケル−鉄、ニッケル−リンなどが挙げられる。ニッケル合金は１種を単独で使用できまたは必要に応じて２種以上を併用できる。
【００３４】
めっき炭素繊維は、めっき法によって、たとえば次のようにして形成することができる。
【００３５】
ニッケルめっきおよびニッケル合金めっきは、電解めっきおよび無電解めっきのいずれでも行うことができるが、単位時間あたりに得られる金属層の厚みを大きくするというめっき効率を考慮すると、電解めっきを実施するのが好ましい。ニッケルめっき浴としては公知のものを使用でき、たとえば、ニッケル塩とともに、必要に応じて還元剤、錯化剤、ｐＨ調整剤、ｐＨ緩衝剤、安定剤、応力緩和剤などを含む水溶液が挙げられる。
【００３６】
ニッケル塩としてはこの分野で常用されるものを使用でき、たとえば、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、硝酸ニッケル、炭酸ニッケル、スルファミン酸ニッケル、蟻酸ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、メタンスルホン酸ニッケル、２−ヒドロキシプロパンスルホン酸ニッケル、フェノールスルホン酸ニッケル、ホウフッ化ニッケルなどが挙げられる。
【００３７】
還元剤としては公知のものを使用でき、たとえば、次亜リン酸ナトリウムなどのリン系還元剤、ジメチルアミンボランなどのホウ素系還元剤などが挙げられる。錯化剤としても公知のものを使用でき、たとえば、ピロリン酸、クエン酸、乳酸、エチレンジアミン四酢酸などの有機酸およびそれらの塩、グリシンなどが挙げられる。ｐＨ緩衝剤としても公知のものを使用でき、たとえば、ホウ酸などが挙げられる。このようなニッケルめっき浴の具体例としては、たとえば、ワット浴、スルファミン酸浴、ピロリン酸銅浴などが挙げられる。ニッケル合金めっき浴としては、たとえば、前記のニッケルめっき浴に、ニッケルと合金化することができる金属を含有する化合物から選ばれる１種または２種以上を添加したものが挙げられる。ニッケルと合金化できる金属を含有する化合物としては特に制限されず、たとえば、銅、クロム、鉄、リンなどを含有する化合物が挙げられる。
【００３８】
電解めっきは、たとえばワット浴の場合は、めっき浴温度４０〜６０℃程度およびめっき浴ｐＨ３〜５程度において、電流密度が０．１〜１００Ａ／ｄｍ２になるように通電することにより実施される。
【００３９】
また本発明では、上記で得られためっき炭素繊維を加熱処理してもよい。加熱処理は、アルゴンガス、窒素ガスなどの非酸化性雰囲気中にて、５００〜１０００℃の温度下に行われ、１５〜２００分程度で終了する。加熱処理することによって、炭素繊維とめっき皮膜との界面およびめっき皮膜中で固溶体形成が確実に行われ、炭素繊維とめっき皮膜との剥離が一層抑制される。その結果、炭素繊維４とめっき皮膜との剥離が起こらないので、炭素繊維が基材中に安定に保持され、炭素繊維による補強効果が充分に発揮される。
【００４０】
この金属被覆炭素繊維を用いて本発明の複合材料を製造するに際しては、まず、アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子と、めっき炭素繊維とを十分に混合し、良好な分散状態を実現することが好ましい。
【００４１】
混合方法としては、公知の方法を用いることができるが、分散媒などは使用しない乾式混合方法を用いることが好ましい。
【００４２】
乾式の混合方法としては、たとえば、ミキサーを用いる方法、エアーを用いる方法などが挙げられる。これらの中でも炭素繊維を破壊せず、かつ十分な混合状態を実現することができるエアーを用いる方法が好ましい。
混合方法に適用可能な装置としては、たとえば、三協パイオテク株式会社製のＰＢ−１、株式会社パウレック製のＱＣ１９７、不二パウダル株式会社のスパンダルミキサーなどが挙げられる。
【００４３】
この混合物における炭素繊維の含有量は、１〜７０重量％が好ましく、より好ましくは５〜２０重量％である。
【００４４】
炭素繊維の含有量が、１重量％よりも低いと十分な機械強度が得られず、７０重量％よりも高いと、複合材料が形成できず、材料分離をおこしてしまう。
【００４５】
上記のようにして得た混合物は、焼結（シンタリング）によって炭素繊維強化アルミニウム複合材料として作製される。
【００４６】
焼結としては、所定の温度および圧力下で行う方法であれば公知の方法を用いることができる。たとえば、混合物を金型内に充填した状態で所定の圧力を印加しながら所定の温度でプレスによる焼結を行う。
【００４７】
焼結温度は、アルミニウムまたはアルミニウム合金粒子の種類や、炭素繊維の含有量などに応じて適宜調整すればよいが、たとえば５００〜７００℃が好ましい。また、印加圧力は１０〜１００ＭＰａが好ましく、焼成雰囲気は、不活性雰囲気とする。
【００４８】
このようにして、焼結して得られた炭素繊維強化アルミニウム複合材料は、含有する炭素繊維によりその強度が向上される。
【実施例】
【００４９】
本発明にしたがって炭素繊維強化アルミニウム複合材料を作製した。
【００５０】
繊維長さ５ｍｍ、アスペクト比７０、繊維径７μｍの炭素繊維表面に、ニッケル−銅めっきによって厚み２．５μｍの皮膜を形成し、めっき炭素繊維を得た。
【００５１】
平均粒子径２〜３ｍｍのアルミニウム合金（＃２０２４）粒子と、めっき炭素繊維とを、混合物中の炭素繊維の含有量が５重量％となるようにエアー方式を用いて混合分散させ混合物を得た。
【００５２】
混合物は、金型内で成形したのち、不活性雰囲気、１０ＭＰａの条件下で焼結温度５４０℃にてプレスで焼結させ、炭素繊維強化アルミニウム複合材料を得た。
【００５３】
このようにして得られた炭素繊維強化アルミニウム複合材料は、炭素繊維の分散状態が良好で、強度も十分に向上された。