JP2007154246A - カーボンナノ複合金属成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より高い強度のカーボンナノ複合金属成形品を得ることのできる改良技術を提供することを課題とする。
【解決手段】（ａ）：カーボンナノ材料１１及び金属粉末１２を準備する。（ｂ）：予備混合を実施する。（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１及び金属粉末１２を本格的に混練する。（ｄ）：以上により、金属粉末１２に無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態のカーボンナノ複合金属粉末１３を得る。（ｅ）：ダイス１５にカーボンナノ複合金属粉末１３を充填する。（ｆ）：上パンチ１６をダイス１５に挿入し、１５０℃程度の温度に保ちながら、カーボンナノ複合金属粉末１３を押し固める。これで、予備成形品１７を得ることができる。金属粉末にカーボンナノ材料をまぶすことができ、カーボンナノ材料の再凝集を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明はマトリックス金属素材にカーボンナノ材料を複合させてなる複合金属成形品の製造方法に関する。

近年、カーボンナノファイバと称する特殊な炭素繊維が強化材料として注目を浴び、その活用方法が提案されている。カーボンナノファイバは、六角網目状に配列した炭素原子のシートを筒状に巻いた形態のものであり、直径が１．０ｎｍ（ナノメートル）〜１５０ｎｍであり、ナノレベルであるため、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブなど（以下、カーボンナノ材料という）と呼ばれる。なお、長さは数μｍ〜１００μｍである。

このカーボンナノ材料は微細であるため、凝集しやすく、母材となるマトリックス金属に、均一に混合させることが難しい材料である。

そこで、半溶融状態にした低融点金属材料に、カーボンナノ材料を混合して複合化する技術が提案された（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１３６３６３公報（図１）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図８は従来の技術の基本構成を説明する図であり、１０１は溶解炉、１０２は傾斜冷却板、１０３は攪拌手段、１０４は混合装置、１０５はポンプ、１０６は射出装置、１０７は金型である。

先ず、金属材料１１１を溶解炉１０１で溶解する。溶湯１１２は傾斜冷却板１０２に流し、半凝固温度まで冷却する。半凝固状態の金属材料１１３を混合装置１０４に投入すると共にカーボンナノ材料１１４を加え、攪拌手段１０３で混合する。

得られた複合材料は半凝固状態のまま、ポンプ１０５を用いて射出装置１０６へ供給し、金型１０７へ射出して、カーボンナノ複合成形品１１５、１１５を得る。
又は、混合装置１０４で得た複合材料を一旦粒状体１１６にする。そして、この粒状体１１６を射出装置１０６へ供給し、射出装置１０６内で半凝固状態に戻し、金型１０７へ射出することで、カーボンナノ複合成形品１１５、１１５を得る。

仮に、混合装置１０４で、完全溶融状態の金属材料にカーボンナノ材料１１４を加えて攪拌すると、カーボンナノ材料１１４が盛んに流動するが、カーボンナノ材料の濡れ性の悪さやカーボンナノ材料と金属材料との比重差などの要因により、カーボンナノ材料が溶湯面に浮上したり、溶湯の底に沈殿するため、結果として偏った分布になることが考えられる。

この点、特許文献１の技術では、金属材料が半凝固状態であるため、この半凝固状態の金属材料１１３にカーボンナノ材料１１４を加えて攪拌しても、カーボンナノ材料１１４の浮上又は沈殿を制限することができ、結果として均一な分散が期待できると言う利点がある。

本発明者等が、検証したところ、特許文献１の技術で製造したカーボンナノ複合成形品１１５の強度が期待通りに増加しないことが判明した。
すなわち、特許文献１の技術では、強度の点で改良の余地がある。

本発明は、半凝固状態の金属材料にカーボンナノ材料を加えることを前提としたカーボンナノ複合金属成形品の製造方法において、より高い強度のカーボンナノ複合金属成形品を得ることのできる改良技術を提供することを課題とする。

本発明者等は、特許文献１の技術で製造したカーボンナノ複合成形品の断面を顕微鏡で観察した。カーボンナノ材料の分散は良好であることが確認できた。しかし、カーボンナノ材料をさらに拡大して観察すると、多数本（多数個）のカーボンナノ材料が絡み合った状態で凝集していることが判明した。

すなわち、図８において、混合装置１０４に投入する時点で既にカーボンナノ材１１４は凝集体になっていて、混合装置１０４では、殆ど、ほぐされることがないまま、半溶融状態の金属材料１１３に混合されたと見なすことができる。

そこで、混合装置に投入する前に、カーボンナノ材料をほぐす処理を加えた。すると、高い強度のカーボンナノ複合成形品を得ることができた。この知見から以下に述べる本発明を完成することに至った。

請求項１に係る発明は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合して、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形品を得る工程と、この予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程と、前記金属粉末と同種の金属を半溶融温度に加熱した半溶融金属を準備する工程と、この半溶融金属に前記圧縮成形品を投入し、この圧縮成形品を半溶融温度まで温めながら混練することで半溶融状態の混練物を得る工程と、この半溶融状態の混練物を金型のキャビティへ供給してカーボンナノ複合金属成形品を得る工程と、からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合して、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形品を得る工程と、この予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程と、前記金属粉末と同種の金属を半溶融温度に加熱した半溶融金属を準備する工程と、この半溶融金属に前記圧縮成形品を投入し、この圧縮成形品を半溶融温度まで温めながら混練することで半溶融状態の混練物を得る工程と、この半溶融状態の混練物を冷却して固体の混練物を得る工程と、この固体の混練物を金属射出機に供給しこの金属射出機で半凝固温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給してカーボンナノ複合金属成形品を得る工程と、からなることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、半溶融状態の混練物を得る工程で、半溶融金属の量及び／又は半溶融金属へ投入する圧縮成形品の量を制御することで、前記カーボンナノ複合金属成形品を得る工程で得るカーボンナノ複合金属成形品に占めるカーボンナノ材料の添加率を制御することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、圧縮成形品を得る工程で、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程で用いるカーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。

請求項６に係る発明では、金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。

請求項８に係る発明では、金属粉末の材質は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする。

請求項１に係る発明において、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合して、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程を実施すると、カーボンナノ材料の凝集を解き、金属粉末にカーボンナノ材料をまぶすことができるため、カーボンナノ材料の再凝集を抑制することができる。

次に、カーボンナノ複合金属粉末を押し固めてなる予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程を実施するが、混合工程で凝集が解かれ、まぶしたカーボンナノ材料が固液共存温度状態で圧縮変形されるため、十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品を得ることができる。

十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品を、別途準備した半溶融金属に混練すると、半溶融金属の熱を吸収して、圧縮成形品は半溶融状態に戻る。カーボンナノ材料は周囲の半溶融金属に流動化が妨げられるため、凝集する心配はない。この状態で混練物を金型のキャビティへ供給すれば、カーボンナノ材料が均等に分散した、高強度のカーボンナノ複合金属成形品を得ることができる。

すなわち、請求項１は、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形品を得る工程と、この予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程とを、実施することで、混合（混練）前にカーボンナノ材料を分散させることを特徴とする。これらの工程により、従来発生していた、混合前におけるカーボンナノ材料の凝集を、解消することに成功したといえる。

加えて、請求項１は、半溶融状態の混練物を得る工程で得た半溶融状態の混練物を金型のキャビティへ供給するため、製造時間が短くなり、大量生産が可能となり、製造コストを容易に下げることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１と同様に、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形品を得る工程と、この予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程とを、実施することで、混合（混練）前にカーボンナノ材料を分散させることを特徴とする。これらの工程により、従来発生していた、混合前におけるカーボンナノ材料の凝集を、解消することに成功したといえる。

また、請求項２は、半溶融状態の混練物を得る工程と、この半溶融状態の混練物を冷却して固体の混練物を得る工程と、この固体の混練物を金属射出機に供給しこの金属射出機で半凝固温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給する工程とを含む点が請求項１と異なる。半溶融状態の混練物を固体の混練物に置き換えて貯め置くことができるので、請求項２は小ロッド生産に好適である。

請求項３に係る発明は、半溶融金属の量及び／又は半溶融金属へ投入する圧縮成形品の量を制御することで、カーボンナノ複合金属成形品に占めるカーボンナノ材料の添加率を制御することを特徴とする。圧縮成形品を得る工程で得る圧縮成形品は、カーボンナノ材料の添加率を高く設定し、後の工程で半溶融金属の量及び／又は半溶融金属へ投入する圧縮成形品の量を制御することで、所望のカーボンナノ材料添加率を達成することができる。
そのため、予め準備する圧縮成形品は、１種類若しくは少ない種類で済ませることができる。

請求項４に係る発明は、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることで、粉末表面を取り囲んでいる酸化膜を効果的に破壊することできる。酸化膜が破壊できれば、粉末同士が密着し、圧縮成形品の機械的強度を高めることができる。

請求項５に係る発明では、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程で、金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。カーボンナノ材料は濡れ性が低いが、炭化物形成元素は濡れ性が高い。このような炭化物形成元素を表面に付着させた金属付着カーボンナノ材料を使用することで、カーボンナノ材料の濡れ性を高めることがでる。

請求項６に係る発明では、金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で炭化物形成金属を蒸発させ、カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする。
炭化物形成金属は炭素と化合物を生成し、この化合物が接合作用を発揮するため、炭化物形成金属をカーボンナノ材料に強固に結合することができる。

請求項７に係る発明は、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。
Ｓｉ、Ｔｉともに、真空下で蒸着可能な融点の金属であり、溶融マトリックス金属との濡れ性も良好である。Ｓｉ、Ｔｉともに入手が容易であり、特にＳｉは安価であるため、本発明方法を広く普及させる上で、好適である。

請求項８に係る発明では、金属粉末の材質は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする。
Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金は軽量金属であり、この金属にカーボンナノ材料を含めて機械的強度を高めることで、軽量で且つ強度、熱伝導性及び耐摩耗性に優れた構造材料を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るカーボンナノ複合金属粉末を得る工程及び予備成形品を得る工程の説明図である。

（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１１を準備するとともに、粒径（平均値）が４ｍｍ以下の金属粉末１２を準備する。この金属粉末１２は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金が好適である。
Ｍｇは酸化反応が激しい。２ｍｍを下回ると特に酸化反応が危険領域に達する。そこで通常、Ｍｇ、Ｍｇ合金を使用するときには、粒径（平均値）は２〜４ｍｍとすることが好ましい。しかし、不活性性能が十分に高い不活性雰囲気で少量の粉末を用いる場合は、危険性を回避できるため、２ｍｍ未満であっても使用することができる。

（ｂ）：予備混合を実施する。予備混合は、容器に適量のカーボンナノ材料１１及び金属粉末１２とを入れ、容器を振ることで実施してもよい。

（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１及び金属粉末１２を本格的に混練する。メカニカルアロイ法は、ＪＩＳ Ｚ２５００に規定される「高エネルギアトライタやボールミルによる固相状態での合金化の方法」、又はＪＩＳ Ｈ７００４で規定されるメカニカルアロイング法「数種類の原料粉末を高エネルギーミルで機械的にかくはん、混合、粉砕し、固相反応によって、合金状態を実現する方法」を指す、広義の機械的混合方法である。周知の方法であるから、装置や原理の説明は省略する。

（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１１の凝集を解くとともに、金属粉末１２に無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態のカーボンナノ複合金属粉末１３を得る。すなわち、以上に述べた（ａ）〜（ｃ）が、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程に相当する。

（ｅ）：下パンチ１４にダイス１５をセットし、このダイス１５にカーボンナノ複合金属粉末１３を充填する。
（ｆ）：上パンチ１６をダイス１５に挿入し、１５０℃程度の温度に保ちながら、カーボンナノ複合金属粉末１３を押し固める。これで、予備成形品１７（図２（ａ）も参照）を得ることができる。
以上に述べた（ｅ）及び（ｆ）が、予備成形品１７を得る工程に相当する。

なお、粉末の性質により圧粉成形が困難なものがある。この場合には、金属缶に入れて加圧する。

図２は本発明に係る圧縮成形品を得る工程の説明図である。
（ａ）：前工程で製造した予備成形品１７を示す。
（ｂ）：雰囲気管理、温度管理及びプレス圧力管理が自由に行える装置の下パンチ１９に予備成形品１７を載せ、ヒータ２１で囲い、真空又はアルゴンガスなどの非酸化雰囲気に保ち、図１（ａ）で示す金属粉末１２の半溶融温度に保ち、上パンチ２２で圧下する。

例えば、金属粉末がＡＳＴＭ ＡＺ９１Ｄ（マグネシウム合金ダイカスト ＪＩＳ Ｈ ５３０３ ＭＤＣ１Ｄ相当品）であれば、半溶融温度は５８５℃に設定し、パンチ２２の圧力は１００〜２００ＭＰａに設定する。

上記（ｂ）の代わりに、次に述べる（ｃ）を実施してもよい。
（ｃ）：雰囲気管理、温度管理、プレス圧力管理及び回転が自由に行える装置の下パンチ１９に予備成形品１７を載せ、ヒータ２１で囲い、真空又はアルゴンガスなどの非酸化雰囲気に保ち、図１（ａ）で示す金属粉末１２の半溶融温度に保ち、上パンチ２２で圧下する。

この圧下の際に、下パンチ１９、上パンチ２２を、毎分５回転程度の低速度で互いに逆回転させる。予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることで、粉末表面を取り囲んでいる酸化膜を効果的に破壊することできる。酸化膜が破壊できれば、粉末同士が密着し、圧縮成形品の機械的強度を高めることができる。

上記（ｂ）又は（ｃ）において、カーボンナノ複合金属粉末を押し固めてなる予備成形品１７を、半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に、放冷することで圧縮成形品を得る工程を実施するが、混合工程で凝集が解かれ、まぶしたカーボンナノ材料が固液共存温度状態で圧縮変形されるため、カーボンナノ材料は、さらに分散化される。

以上の（ａ）〜（ｃ）は圧縮成形品を得る工程に相当する。
（ｄ）：十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品２３を示す。

図３は本発明に係る半溶融金属を準備する工程からカーボンナノ複合金属成形品を得る工程までの説明図である。
（ａ）において、攪拌手段２５を備えた高温槽２６に、金属粉末（図１（ａ）符号１２参照）と同種の金属を投入し、半溶融温度に加熱して半溶融金属２７を準備する。

次に、前工程で得た圧縮成形品２３を、半溶融金属２７へ投入して、攪拌手段２５で十分に攪拌する。すると、圧縮成形品２３は、半溶融温度に達した状態で混練される。この結果、半溶融金属２７と圧縮成形品２３との混練物２８ができあがる。

すなわち、（ａ）において、金属粉末と同種の金属を半溶融温度に加熱した半溶融金属２７を準備する工程と、この半溶融金属２７に圧縮成形品２３を投入し、この圧縮成形品２３を半溶融温度まで温めながら混練することで半溶融状態の混練物２８を得る工程とを実施する。

この工程では、次の要領でカーボンナノ材料の含有率を制御することができる。
例えば、高温槽２６に準備する半溶融金属２７の量を１２００ｇ、高温槽２６に投入する圧縮成形品２３の量を３００ｇ、この圧縮成形品２３に予め含めたカーボンナノ材料を１０質量％（３０ｇ）とする。

なお、カーボンナノ材料の含有量は、半溶融金属２７の量を一定にして圧縮成形品２３の量を変化させることで制御することができるが、圧縮成形品２３の量を一定にして半溶融金属２７の量を変化させることで制御することや、半溶融金属２７の量と圧縮成形品２３の量の両方を変化させることで制御することもできる。

得られる混練物２８に含むカーボンナノ材料の割合は、（３０／（１２００＋３００））×１００＝２の計算式により、２質量％となる。
すなわち、半溶融金属２７の量と圧縮成形品２３の量とを調整することで、混練物２８に含むカーボンナノ材料の割合を任意に設定することができる。

この設定は、圧縮成形品２３自体のカーボンナノ材料含有量を調整することでも実施可能である。しかし、この場合は、含有量の異なる圧縮成形品２３を多数種類準備する必要がある。この点、本発明によれば、予め準備する圧縮成形品２３は、１種類若しくは少ない種類で済ませることができる。

（ｂ）において、ポンプ手段２９を用いて、高温槽２６から混練物２８を金属射出機３１へ供給し、この金属射出機３１の射出作用で、半溶融状態の混練物２８を、金型３２のキャビティ３３へ供給する。
（ｃ）は金型３２から取り出したカーボンナノ複合金属成形品３４、３４を示す。
すなわち、（ｂ）において、半溶融状態の混練物２８を金型３２のキャビティ３３へ供給してカーボンナノ複合金属成形品３４を得る工程を実施する。

以上の工程において、十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品２３を、別途準備した半溶融金属２７に混練すると、半溶融金属２７の熱を吸収して、圧縮成形品２７は半溶融状態に戻る。カーボンナノ材料は周囲の半溶融金属に流動化が妨げられるため、凝集する心配はない。この状態で混練物２８を金型３２のキャビティ３３へ供給すれば、カーボンナノ材料が均等に分散した、高強度のカーボンナノ複合金属成形品３４を得ることができる。

さらには、カーボンナノ複合金属成形品３４に、熱間圧延加工や熱間押出し加工を、施すことで金属組織の微細化を行い、機械的強度等の性質を向上させることができる。

図４は図３の別実施例を説明する図である。
（ａ）において、攪拌手段２５を備えた高温槽２６に、金属粉末（図１（ａ）符号１２参照）と同種の金属を投入し、半溶融温度に加熱して半溶融金属２７を準備する。

次に、前工程で得た圧縮成形品２３を、半溶融金属２７へ投入して、攪拌手段２５で十分に攪拌する。すると、圧縮成形品２３は、半溶融温度に達した状態で混練される。この結果、半溶融金属２７と圧縮成形品２３との混練物２８ができあがる。

すなわち、（ａ）において、金属粉末と同種の金属を半溶融温度に加熱した半溶融金属２７を準備する工程と、この半溶融金属２７に圧縮成形品２３を投入し、この圧縮成形品２３を半溶融温度まで温めながら混練することで半溶融状態の混練物２８を得る工程とを実施する。

（ｂ）において、高温槽２６から取り出した半溶融状態の混練物２８を一旦、冷却して、固体の混練物３５にする。固体の混練物３５であれば、任意に保存、保管をすることができる。
すなわち、（ｂ）において、半溶融状態の混練物２８を冷却して固体の混練物３５を得る工程を実施する。

（ｃ）において、固体の混練物３５を金属射出機３１へ供給する。金属射出機３１では固体の混練物３５を半溶融温度まで加熱する。そして、射出作用で、半溶融状態の混練物を、金型３２のキャビティ３３へ供給する。
（ｄ）は金型３２から取り出したカーボンナノ複合金属成形品３４、３４を示す。
すなわち、（ｃ）において、固体の混練物を金属射出機に供給しこの金属射出機で半凝固温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給してカーボンナノ複合金属成形品を得る工程を実施する。

さらには、カーボンナノ複合金属成形品３４、３４に、熱間圧延加工や熱間押出し加工を、施すことで金属組織の微細化を行い、機械的強度等の性質を向上させることができる。

以上に述べた、図３の方式は「直接法」、図４の方式は「間接法」と呼ぶことができる。これらの方式の長所、短所を、次表で説明する。

金属射出機は１回当たり５０ｇの半溶融状態の混練物を射出することができる。
直接法では、半溶融状態の混練物が金属射出機に供給されるため、１分のサイクル時間で射出が可能であった。この結果、１時間当たり３ｋｇの処理が行える。

間接法では、固体の混練物を金属射出機で半溶融状態まで溶解する必要があり、１サイクル時間は１５分になる。この結果、１時間当たりの処理量は０．２ｋｇに留まる。

直接法は生産能力が高く、低コストでカーボンナノ複合金属成形品を製造することができるが、材料換え等が難しいため、少品種多量生産に適している。
間接法は生産能力の点では落ちるが、生産の自由度は高く、多品種少量生産に好適である。

次に、図１（ａ）に示すカーボンナノ材料１１の改良技術を説明する。
図５は本発明に係る準備のためにカーボンナノ材料を表面処理するときの説明図である。
（ａ）：カーボンナノ材料４１を準備する。例えば１０ｇ。このカーボンナノ材料４１は、図１（ａ）に示すカーボンナノ材料１１と同じであってもよいが、便宜上、符号を変えた。
（ｂ）：炭化物形成元素としてのＳｉ粉末４２を準備する。例えば１ｇ。

（ｃ）：乳鉢４３にカーボンナノ材料４１及びＳｉ粉末４２を入れ、１５分〜３０分間乳棒４４で混合する。
（ｄ）：得られた混合物４５を、アルミナ製容器４６に入れ、アルミナ製蓋４７を被せる。この蓋４７は非密閉蓋を採用することで、容器４６の内部と外部との通気を可能にする。

（ｅ）：密閉炉体５１と、炉体５１内部を加熱する加熱手段５２と、容器４６を載せる台５３、５３と、炉体５１内部を真空にする真空ポンプ５４とを備える真空炉５０を準備し、この真空炉５０に容器４６を入れる。

真空炉５０における加熱条件及び圧力条件は次図で説明するが、真空下で加熱することで、混合物４５中のＳｉ粉末が蒸発する。この蒸気は泡立つように容器４６と蓋４７とで形成する空間を撹拌する。このような作用をバブリング撹拌と呼ぶ。このバブリング撹拌によりカーボンナノ材料がほぐれ、ほぐれたカーボンナノ材料の表面にＳｉ蒸気が接触し、化合物を形成し、Ｓｉの微粒子となって付着する。

図５をまとめると、カーボンナノ材料５１に、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む金属粉末４２を混合する工程と、得られた混合物４５を真空炉５０に入れ、高温真空下で金属粉末４２を蒸発させ、この蒸気をカーボンナノ材料４１の表面に付着させる蒸着処理工程と、からなる。

図６はＳｉに対応する炉温及び炉内圧力のグラフであり、横軸は時間、縦軸は炉温と炉内圧力である。
開始〜５時：６×１０^−３Ｐａの真空度で、５時間かけて炉温を室温から３００℃まで上昇させる。

５時〜９時：５．３×１０^−３〜２．１×１０^−２Ｐａの真空度で、４時間かけて炉温を３００℃から１４００℃まで上昇させる。
９時〜１９時：２．１×１０^−２Ｐａの真空度、１４００℃の条件で１０時間保持する。

Ｓｉの融点は１４２７℃であるから、融点直下の温度（１３５０〜１４００℃）に保持し、Ｓｉをこの温度での飽和蒸気圧状態に保つ。１３５０℃では飽和蒸気圧は１．３×１０^−３Ｐａ程度になり、１４００℃では飽和蒸気圧は２．１×１０^−２Ｐａ程度になる。この程度の真空度は真空炉で容易に達成できるため、処理温度は１３５０〜１４００℃が適当である。ただし、１３５０℃は蒸発速度が低く、１４００℃は蒸発速度が高いため、実施例では１４００℃とした。

次に、Ｓｉと炭素の化合物であるＳｉＣ（炭化けい素）について説明する。ＳｉＣの標準生成自由エネルギーは、１４００℃で−３９．６ｋＪ／ｍｏｌであり、この条件を満たすことは可能であるから、Ｓｉ蒸気がカーボンナノ材料の炭素に反応してＳｉＣになると考えられる。

そこで、混合物を半密閉された容器に入れ、Ｓｉ粉末を蒸発させれば、バブリング撹拌が発生し、カーボンナノ材料にＳｉの微粒子が付着させることができる。
なお、保持時間が１０時間と長いのは、十分撹拌し反応させることを目的とした。勿論、混合比や処理量などの条件によって、保持時間を増減することは差し支えない。

１９時以降：加熱手段は停止するが、１．１×１０^−３Ｐａの真空度は保ちながら、炉冷を実施する。炉冷は、製品を極めて徐々に冷却する手法である。

図７は本発明方法で製造した金属付着カーボンナノ材料の拡大図であり、金属付着カーボンナノ材料５５は、凝集していないカーボンナノ材料４１と、このカーボンナノ材料４１の表面に均等に付着した多数のＳｉ微粒子５６とからなる。これらのＳｉ微粒子５６は、炭素と反応して化合物を生成する元素であるＳｉを結晶化させたものであることは既に述べたとおりである。

さらに、Ｓｉ微粒子５６は炭化物であるＳｉＣを介してカーボンナノ材料４１に付着していることが重要となる。カーボンナノ材料４１自身は濡れ性が悪い。したがって、単なるＳｉ微粒子であれば接合強度が不足する虞れがある。この点、カーボンナノ材料４１の表面にＳｉ微粒子を付着させることで、界面にＳｉＣの反応層が形成し、カーボンナノ材料４１にＳｉ微粒子５６を強固に付着させることができる。

以上に述べた金属付着カーボンナノ材料５５を、図１（ａ）に示すカーボンナノ材料１１と置き換え、この金属付着カーボンナノ材料５５と金属粉末１２とを適量混合すればよい。

尚、詳細な説明は省略するが、炭化物形成金属（金属炭素と反応して化合物を生成する元素）としてのＳｉをＴｉに換えても同様の機械的強度向上効果を得ることができた。さらに、炭化物形成として、Ｓｉ及びＴｉの他、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｖ（バナジウム）が採用できる。
ただし、Ｓｉ、Ｔｉはともに入手が容易であり、特にＳｉは安価であるため、本発明方法を広く普及させる上で、好適である。

また、金属粉末（マトリックス金属素材）は、融点が約６５０℃であるＭｇ、Ｍｇ合金の他、融点が約６６０℃であるＡｌ、Ａｌ合金、融点が約２３２℃であるＳｎ、Ｓｎ合金、融点が約３２７℃であるＰｂ、Ｐｂ合金が採用でき、要は融点が７００℃を超えない低融点金属又は低融点合金であれば種類は任意である。

特に、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金は軽量金属であり、この金属にカーボンナノ材料を含めて機械的強度を高めることで、軽量で且つ強度、熱伝導性及び耐摩耗性に優れた構造材料を提供することができる。

本発明は、マトリックス金属素材にカーボンナノ材料を複合させてなる複合金属成形品の製造方法に好適である。

本発明に係るカーボンナノ複合金属粉末を得る工程及び予備成形品を得る工程の説明図である。 本発明に係る圧縮成形品を得る工程の説明図である。 本発明に係る半溶融金属を準備する工程からカーボンナノ複合金属成形品を得る工程までの説明図である。 図３の別実施例を説明する図である。 本発明に係る準備のためにカーボンナノ材料を表面処理するときの説明図である。 Ｓｉに対応する炉温及び炉内圧力のグラフである。 本発明方法で製造した金属付着カーボンナノ材料の拡大図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

符号の説明

１１、４１…カーボンナノ材料、１２…金属粉末、１３…カーボンナノ複合金属粉末、１７…予備成形品、２３…圧縮成形品、２７…半溶融金属、２８…半溶融状態の混練物、３２…金型、３３…キャビティへ、３４…カーボンナノ複合金属成形品、３５…固体の混練物、４２…炭化物形成金属（Ｓｉ粉末）、５０…真空炉、５５…金属付着カーボンナノ材料。

Claims (8)

1. カーボンナノ材料と金属粉末とを混合して、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形品を得る工程と、この予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程と、前記金属粉末と同種の金属を半溶融温度に加熱した半溶融金属を準備する工程と、この半溶融金属に前記圧縮成形品を投入し、この圧縮成形品を半溶融温度まで温めながら混練することで半溶融状態の混練物を得る工程と、この半溶融状態の混練物を金型のキャビティへ供給してカーボンナノ複合金属成形品を得る工程と、からなることを特徴とするカーボンナノ複合金属成形品の製造方法。
2. カーボンナノ材料と金属粉末とを混合して、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形品を得る工程と、この予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程と、前記金属粉末と同種の金属を半溶融温度に加熱した半溶融金属を準備する工程と、この半溶融金属に前記圧縮成形品を投入し、この圧縮成形品を半溶融温度まで温めながら混練することで半溶融状態の混練物を得る工程と、この半溶融状態の混練物を冷却して固体の混練物を得る工程と、この固体の混練物を金属射出機に供給しこの金属射出機で半凝固温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給してカーボンナノ複合金属成形品を得る工程と、からなることを特徴とするカーボンナノ複合金属成形品の製造方法。
3. 前記半溶融状態の混練物を得る工程で、半溶融金属の量及び／又は半溶融金属へ投入する圧縮成形品の量を制御することで、前記カーボンナノ複合金属成形品を得る工程で得るカーボンナノ複合金属成形品に占めるカーボンナノ材料の添加率を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のカーボンナノ複合金属成形品の製造方法。
4. 前記圧縮成形品を得る工程では、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載のカーボンナノ複合金属成形品の製造方法。
5. 前記カーボンナノ複合金属粉末を得る工程で用いるカーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のカーボンナノ複合金属成形品の製造方法。
6. 前記金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、前記カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする請求項５記載のカーボンナノ複合金属成形品の製造方法。
7. 前記炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする請求項５又は請求項６記載のカーボンナノ複合金属成形品の製造方法。
8. 前記金属粉末の材質は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のカーボンナノ複合金属成形品の製造方法。

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