JP2012086529A - 傾斜機能性複合材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属と樹脂との接合を安定に実施できると共に、製品の品質向上や軽量化並びに省資源化も図ることが可能な傾斜機能性複合材料及びその製造方法を提供する。
【解決手段】一方に金属材料１１を、他方に有機樹脂材料１２を、金属材料１１と有機樹脂材料１２の間に傾斜機能材料１３を配置した傾斜機能性複合材料１０であり、傾斜機能材料１３は、１）有機樹脂材料１２の粉末と、２）無機質繊維との混合物に、金属材料１１の粉末を傾斜配合して金属材料１１に線膨張係数が近似した加熱結合体である。傾斜機能性複合材料１０の製造方法は、傾斜機能材料１３を、１）有機樹脂材料１２の粉末と、２）無機質繊維との混合物に、金属材料１１の粉末を傾斜配合して金属材料１１に線膨張係数が近似した積層体とし、金属材料１１、積層体、及び有機樹脂材料１２を、加圧状態で加熱する。
【選択図】図１
【解決手段】一方に金属材料１１を、他方に有機樹脂材料１２を、金属材料１１と有機樹脂材料１２の間に傾斜機能材料１３を配置した傾斜機能性複合材料１０であり、傾斜機能材料１３は、１）有機樹脂材料１２の粉末と、２）無機質繊維との混合物に、金属材料１１の粉末を傾斜配合して金属材料１１に線膨張係数が近似した加熱結合体である。傾斜機能性複合材料１０の製造方法は、傾斜機能材料１３を、１）有機樹脂材料１２の粉末と、２）無機質繊維との混合物に、金属材料１１の粉末を傾斜配合して金属材料１１に線膨張係数が近似した積層体とし、金属材料１１、積層体、及び有機樹脂材料１２を、加圧状態で加熱する。
【選択図】図１
Description
本発明は、金属と樹脂との接合部分を備える製品、例えば、自動車用電動モータや家電用モータの整流子等への使用に適した傾斜機能性複合材料及びその製造方法に関する。
従来、金属と樹脂との接合方法として、拡散や溶射等の様々な方法が検討され実用化されてきているが、これらの方法は、樹脂表面における金属薄膜の形成に過ぎず、ブロック状の金属と樹脂との接合は、未だ困難な状況にあった。なお、無機物である金属と有機物である樹脂とを接合することは、通常難しいと考えられてきた。
近年、上記した問題を解決する方法として、「拡散めっき」という方法が注目されている。拡散めっきとは、高温、高圧、高真空下の条件コントロールにおいて、接着剤などを一切用いず、また、材料を溶解させることなく、材料間の原子移動のみにより、互いに接合させる技術をいう。
近年、上記した問題を解決する方法として、「拡散めっき」という方法が注目されている。拡散めっきとは、高温、高圧、高真空下の条件コントロールにおいて、接着剤などを一切用いず、また、材料を溶解させることなく、材料間の原子移動のみにより、互いに接合させる技術をいう。
しかし、この拡散めっきにおいては、樹脂成形品の表層部に金属を拡散させる方法が採られるため、薄膜の形成が主流である。このため、ブロック状の金属部品への樹脂成形品の取付けには、金型内に金属部品を装填し、この金属部品の周りに樹脂を注入（充填）する「インサート成形」が主流であった。
例えば、筒状の樹脂成形品の表面に銅（金属材料）を取付けたものとして、モータ用整流子（以下、単に整流子ともいう）があるが、整流子は高速回転と急停止とを繰返すため、その使用中に、銅部分が樹脂成形品に対して絶対に動かないように、銅部分に複雑な形状のアンカー部を形成している（例えば、特許文献１参照）。なお、アンカー部の形状については、従来から多くの工夫がなされている。
例えば、筒状の樹脂成形品の表面に銅（金属材料）を取付けたものとして、モータ用整流子（以下、単に整流子ともいう）があるが、整流子は高速回転と急停止とを繰返すため、その使用中に、銅部分が樹脂成形品に対して絶対に動かないように、銅部分に複雑な形状のアンカー部を形成している（例えば、特許文献１参照）。なお、アンカー部の形状については、従来から多くの工夫がなされている。
しかしながら、上記した整流子は、銅部分がアンカー部により樹脂成形品から外れない構成としているのみであり、銅部分と樹脂成形品との接合（接着）が十分になされていないため、以下のような問題があった。
整流子は高速回転するため、ブラシとの接触部分で発熱する。この摩擦熱は、整流子の銅部分を伝導して樹脂成形品との界面に至るが、樹脂の熱伝導率は低いため、界面における樹脂の温度は上昇し、一方、中心部の樹脂の温度は上昇しない。そして、整流子は、高速回転と急停止を繰返すため、界面に位置する樹脂は、温度の上昇と下降により膨張と収縮を繰返し、銅部分と樹脂成形品との間に数ミクロンの隙間（亀裂）が発生する。なお、銅と樹脂とは線膨張係数（以下、熱膨張係数ともいう）が異なるため、成形後にも、銅部分と樹脂成形品との間に２〜３ミクロンの隙間が発生（線膨張係数が非常に近いものを使用しても発生）する。
整流子は高速回転するため、ブラシとの接触部分で発熱する。この摩擦熱は、整流子の銅部分を伝導して樹脂成形品との界面に至るが、樹脂の熱伝導率は低いため、界面における樹脂の温度は上昇し、一方、中心部の樹脂の温度は上昇しない。そして、整流子は、高速回転と急停止を繰返すため、界面に位置する樹脂は、温度の上昇と下降により膨張と収縮を繰返し、銅部分と樹脂成形品との間に数ミクロンの隙間（亀裂）が発生する。なお、銅と樹脂とは線膨張係数（以下、熱膨張係数ともいう）が異なるため、成形後にも、銅部分と樹脂成形品との間に２〜３ミクロンの隙間が発生（線膨張係数が非常に近いものを使用しても発生）する。
このようにして発生した隙間（亀裂）は、破壊の起点となるため、整流子の使用中に整流子が一気に破壊するという恐れがある。なお、液体封入を行う場合は、上記した隙間から液体が漏洩する恐れもある。
また、銅部分にアンカー部を設けることで、銅の使用量が、製品の性能上必要な量以上に必要となり、製品の製造コストがかかって経済的でない（アンカー部だけで銅の全使用量の約３０％程度）。そして、銅の使用量が多くなることで、製品自体の重量も重くなる。更に、アンカー形状が複雑になるに伴い、銅部分の形状加工も難しくなる。
また、銅部分にアンカー部を設けることで、銅の使用量が、製品の性能上必要な量以上に必要となり、製品の製造コストがかかって経済的でない（アンカー部だけで銅の全使用量の約３０％程度）。そして、銅の使用量が多くなることで、製品自体の重量も重くなる。更に、アンカー形状が複雑になるに伴い、銅部分の形状加工も難しくなる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、金属と樹脂との接合を安定に実施できると共に、製品の品質向上や軽量化並びに省資源化も図ることが可能な傾斜機能性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。
前記目的に沿う第１の発明に係る傾斜機能性複合材料は、一方に金属材料を、他方に有機樹脂材料Ａを、前記金属材料と前記有機樹脂材料Ａの間に傾斜機能材料を配置した傾斜機能性複合材料であって、
前記傾斜機能材料は、１）前記有機樹脂材料Ａ又は前記有機樹脂材料Ａと接合可能な有機樹脂材料Ｂの粉末と、２）無機質繊維Ａとの混合物に、前記金属材料の粉末を傾斜配合して前記金属材料に線膨張係数が近似した加熱結合体である。
前記傾斜機能材料は、１）前記有機樹脂材料Ａ又は前記有機樹脂材料Ａと接合可能な有機樹脂材料Ｂの粉末と、２）無機質繊維Ａとの混合物に、前記金属材料の粉末を傾斜配合して前記金属材料に線膨張係数が近似した加熱結合体である。
第１の発明に係る傾斜機能性複合材料において、前記無機質繊維Ａはガラス繊維であることが好ましい。
ここで、前記ガラス繊維のアスペクト比は１０〜５００であるのがよい。
ここで、前記ガラス繊維のアスペクト比は１０〜５００であるのがよい。
第１の発明に係る傾斜機能性複合材料において、前記金属材料は銅であることが好ましい。
ここで、前記銅の粉末は電解により得られたフレーク状のものであるのがよい。
ここで、前記銅の粉末は電解により得られたフレーク状のものであるのがよい。
第１の発明に係る傾斜機能性複合材料において、前記有機樹脂材料Ａは熱硬化性フェノール樹脂であることが好ましい。
第１の発明に係る傾斜機能性複合材料において、他方に配置される前記有機樹脂材料Ａには無機質繊維Ｂが含まれてもよい。
第１の発明に係る傾斜機能性複合材料において、傾斜機能性複合材料はモータの整流子に使用することが好ましい。
第１の発明に係る傾斜機能性複合材料において、他方に配置される前記有機樹脂材料Ａには無機質繊維Ｂが含まれてもよい。
第１の発明に係る傾斜機能性複合材料において、傾斜機能性複合材料はモータの整流子に使用することが好ましい。
前記目的に沿う第２の発明に係る傾斜機能性複合材料の製造方法は、一方に金属材料を、他方に有機樹脂材料Ａを、前記金属材料と前記有機樹脂材料Ａの間に傾斜機能材料を配置した傾斜機能性複合材料の製造方法であって、
前記傾斜機能材料を、１）前記有機樹脂材料Ａ又は前記有機樹脂材料Ａと接合可能な有機樹脂材料Ｂの粉末と、２）無機質繊維Ａとの混合物に、前記金属材料の粉末を傾斜配合して前記金属材料に線膨張係数が近似した積層体とし、
前記金属材料、前記積層体、及び前記有機樹脂材料Ａを、加圧状態で加熱する。
前記傾斜機能材料を、１）前記有機樹脂材料Ａ又は前記有機樹脂材料Ａと接合可能な有機樹脂材料Ｂの粉末と、２）無機質繊維Ａとの混合物に、前記金属材料の粉末を傾斜配合して前記金属材料に線膨張係数が近似した積層体とし、
前記金属材料、前記積層体、及び前記有機樹脂材料Ａを、加圧状態で加熱する。
第２の発明に係る傾斜機能性複合材料の製造方法において、前記加圧状態での加熱には、放電プラズマ焼結法を用いることが好ましい。
ここで、前記積層体を、高融点材リッチ層と、該高融点材リッチ層よりも融点の低い低融点材リッチ層とに分けて、前記高融点材リッチ層の焼結を最初に行い、次に、前記低融点材リッチ層の焼結を行うのがよい。
また、前記低融点材リッチ層の焼結にステップヒーティングを用いるのがよい。
更に、第２の発明に係る傾斜機能性複合材料の製造方法において、他方に配置される前記有機樹脂材料Ａには無機質繊維Ｂが含まれてもよい。
ここで、前記積層体を、高融点材リッチ層と、該高融点材リッチ層よりも融点の低い低融点材リッチ層とに分けて、前記高融点材リッチ層の焼結を最初に行い、次に、前記低融点材リッチ層の焼結を行うのがよい。
また、前記低融点材リッチ層の焼結にステップヒーティングを用いるのがよい。
更に、第２の発明に係る傾斜機能性複合材料の製造方法において、他方に配置される前記有機樹脂材料Ａには無機質繊維Ｂが含まれてもよい。
第１の発明に係る傾斜機能性複合材料は、金属材料と有機樹脂材料Ａの間に配置した傾斜機能材料を、金属材料に線膨張係数が近似する加熱結合体とするので、加熱結合体の金属材料側の線膨張係数を金属材料とほぼ同様の値に調整できる。これにより、線膨張係数の差に起因した加熱結合体と金属材料との界面における隙間の発生を抑制、更には防止できる。
また、加熱結合体は、有機樹脂材料の粉末と無機質繊維Ａとの混合物に、金属材料の粉末を傾斜配合しているので、加熱結合体を介して金属側から樹脂側へ向けての放熱がスムーズに行われる。これにより、熱伝導率の差に起因した加熱結合体と金属材料との界面における隙間の発生を抑制、更には防止できる。
更に、金属材料の粉末を傾斜配合することで、傾斜機能性複合材料内に、材料の配合が異なる複数の界面ができる。これにより、例えば、金属材料側に熱が付与されても、傾斜機能性複合材料が受ける応力を複数の界面に分散できる。
従って、金属と樹脂との接合を安定に実施できると共に、金属の使用量低減による製品の軽量化と省資源化も図れる。
また、加熱結合体は、有機樹脂材料の粉末と無機質繊維Ａとの混合物に、金属材料の粉末を傾斜配合しているので、加熱結合体を介して金属側から樹脂側へ向けての放熱がスムーズに行われる。これにより、熱伝導率の差に起因した加熱結合体と金属材料との界面における隙間の発生を抑制、更には防止できる。
更に、金属材料の粉末を傾斜配合することで、傾斜機能性複合材料内に、材料の配合が異なる複数の界面ができる。これにより、例えば、金属材料側に熱が付与されても、傾斜機能性複合材料が受ける応力を複数の界面に分散できる。
従って、金属と樹脂との接合を安定に実施できると共に、金属の使用量低減による製品の軽量化と省資源化も図れる。
また、無機質繊維Ａにガラス繊維を使用し、そのアスペクト比を１０〜５００にする場合、金属材料と有機樹脂材料及びガラス繊維との混合性（分散性）を良好にでき、その結果、製品品質の向上が図れる。
そして、金属材料に銅を使用し、その粉末が電解により得られたフレーク状のものである場合、例えば、アトマイズにより得られた銅粉よりも熱伝導率を高めることができる。これにより、例えば、金属材料である銅に熱がかかっても、銅側から樹脂側への熱の放出が促進され、傾斜機能性複合材料内での熱の滞留を抑制できるため、銅と加熱結合体との界面での割れの発生を抑制できる。
また、有機樹脂材料Ａが熱硬化性フェノール樹脂である場合、汎用材料であるため利用用途の拡大が図れる。
更に、傾斜機能性複合材料をモータの整流子に使用する場合、例えば、金属にアンカー部を設ける必要がなくなる。これにより、金属の使用量を低減できるため、製品の製造コストの低減が図れて経済的であると共に、製品自体の軽量化も図れ、更には、金属部分の形状も簡単にできるので、本発明の効果がより顕著になる。
更に、傾斜機能性複合材料をモータの整流子に使用する場合、例えば、金属にアンカー部を設ける必要がなくなる。これにより、金属の使用量を低減できるため、製品の製造コストの低減が図れて経済的であると共に、製品自体の軽量化も図れ、更には、金属部分の形状も簡単にできるので、本発明の効果がより顕著になる。
第２の発明に係る傾斜機能性複合材料の製造方法は、傾斜機能材料を、１）有機樹脂材料Ａ又は有機樹脂材料Ａと接合可能な有機樹脂材料Ｂの粉末と、２）無機質繊維Ａとの混合物に、金属材料の粉末を傾斜配合して金属材料に線膨張係数が近似した積層体とし、金属材料、積層体、及び有機樹脂材料Ａを、加圧状態で加熱するので、良好な品質の製品を、短時間で経済的に製造できる。
ここで、加圧状態での加熱に、放電プラズマ焼結法を用いる場合、傾斜機能性複合材料の製造を、省電力かつ短時間に実施できるため、生産効率の向上と製造コストの低減が図れる。
また、積層体を、高融点材リッチ層と低融点材リッチ層とに分けて、高融点材リッチ層の焼結を最初に行い、次に、低融点材リッチ層の焼結を行う場合、有機樹脂材料の粉末及び無機質繊維Ａの混合物と、金属材料の配合比率に応じた条件で焼結できるので、製品品質の向上が図れると共に、更なる省電力化も図れて経済的である。
また、積層体を、高融点材リッチ層と低融点材リッチ層とに分けて、高融点材リッチ層の焼結を最初に行い、次に、低融点材リッチ層の焼結を行う場合、有機樹脂材料の粉末及び無機質繊維Ａの混合物と、金属材料の配合比率に応じた条件で焼結できるので、製品品質の向上が図れると共に、更なる省電力化も図れて経済的である。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る傾斜機能性複合材料（以下、単に複合材料ともいう）１０は、一方（ここでは上側）に銅（金属材料の一例）１１を、他方（ここでは下側）に熱硬化性フェノール樹脂（有機樹脂材料Ａの一例）１２を、銅（Ｃｕ）１１とフェノール樹脂１２の間に傾斜機能材料１３を配置したものであり、銅１１とフェノール樹脂１２との接合を安定に実施できると共に、製品の品質向上や軽量化並びに省資源化も図れるものである。以下、詳しく説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る傾斜機能性複合材料（以下、単に複合材料ともいう）１０は、一方（ここでは上側）に銅（金属材料の一例）１１を、他方（ここでは下側）に熱硬化性フェノール樹脂（有機樹脂材料Ａの一例）１２を、銅（Ｃｕ）１１とフェノール樹脂１２の間に傾斜機能材料１３を配置したものであり、銅１１とフェノール樹脂１２との接合を安定に実施できると共に、製品の品質向上や軽量化並びに省資源化も図れるものである。以下、詳しく説明する。
図１（Ｂ）に示すように、傾斜機能材料１３は、フェノール樹脂の粉末（以下、フェノール樹脂粉末ともいう）とガラス繊維（無機質繊維Ａの一例）との混合物に、銅の粉末（以下、銅粉ともいう）を傾斜配合して焼結させた焼結体（加熱結合体の一例）であり、銅１１側からフェノール樹脂１２側へかけて３つの層１４〜１６が段階的（ここでは、３段階）に設けられたものである。なお、図２は、自動車用電動モータに設けられた整流子１７を示しており、整流子１７は、傾斜機能性複合材料を機械加工して形成したものである。この整流子１７は、銅１８とフェノール樹脂１９が、層２０、２１からなる傾斜機能材料２２によって接合されており、銅１１、層１４、１５、及びフェノール樹脂１２に相当する銅１８、層２０、２１、及びフェノール樹脂１９が、径方向の外側から内側へかけて配置され、層１６に相当する層が省略された構成となっている。
傾斜機能材料１３の厚みは、銅１１とフェノール樹脂１２とを接合できれば、特に限定されるものではないが、整流子に使用する場合は、従来品の整流子（アンカータイプ）における銅部分の埋め込み深さ以内（例えば、１０ｍｍ以下）とすることが好ましい。
整流子における銅部分の埋め込み深さは、フェノール樹脂部分に絶縁層を併せ持たせる必要があることから整流子のタイプによってその形状や寸法が異なるため、一概に設定することが困難である。しかし、例えば、汎用性のあるタイプの整流子に着目すると６ｍｍ以下（下限は、２ｍｍ程度）が好ましい。なお、製品によっては、銅部分により近づいたポイントでも絶縁がとれる必要があることから、傾斜機能材料の厚みを更に好ましくは２〜３ｍｍ程度とするのがよい。
整流子における銅部分の埋め込み深さは、フェノール樹脂部分に絶縁層を併せ持たせる必要があることから整流子のタイプによってその形状や寸法が異なるため、一概に設定することが困難である。しかし、例えば、汎用性のあるタイプの整流子に着目すると６ｍｍ以下（下限は、２ｍｍ程度）が好ましい。なお、製品によっては、銅部分により近づいたポイントでも絶縁がとれる必要があることから、傾斜機能材料の厚みを更に好ましくは２〜３ｍｍ程度とするのがよい。
傾斜機能材料を構成する積層方向の層の数は、複合材料の製造時や使用時の応力を緩和し、割れの発生を防止する観点から、多い方（例えば、１０層程度まで）が望ましいが、層数を多くすると製造時の時間やコストが増大する。このため、複合材料の機能とコストを両立させるため、層数を５層以下（下限は、１層、更には２層）とするのがよい。
なお、各層１４〜１６を形成する銅粉の傾斜配合は、銅１１側からフェノール樹脂１２側へかけて、銅粉の配合割合を減少させた配合とする。例えば、銅の含有量を、層１４では６５〜８５質量％（ここでは７５質量％）、層１５では４０〜６０質量％（ここでは５０質量％）、層１６では１５〜３５質量％（ここでは２５質量％）とする。
なお、各層１４〜１６を形成する銅粉の傾斜配合は、銅１１側からフェノール樹脂１２側へかけて、銅粉の配合割合を減少させた配合とする。例えば、銅の含有量を、層１４では６５〜８５質量％（ここでは７５質量％）、層１５では４０〜６０質量％（ここでは５０質量％）、層１６では１５〜３５質量％（ここでは２５質量％）とする。
ここで、複合材料１０の各層１４〜１６の形成に使用する銅の粉末には、電解により得られたフレーク状のものを使用する。
電解により得られた銅粉は、薄い層を形成するために粒径をある程度細かくすることができる（例えば、平均粒径が３０〜６０μｍ程度）。また、成型性に優れるため、層中の銅の割合が多くなっても、圧粉体の成型性が低下しない作用を備えている。更に、図３から、電解により得られた銅粉（電解銅粉）は、アトマイズにより得られた銅粉（アトマイズ銅粉）よりも、熱伝導率が高いことから、熱放出（割れ防止）の観点からも好ましい。
しかし、銅粉には、アトマイズ粉を使用することもできる。このアトマイズ粉は、一般に球形で流動性がよく、樹脂粉との混合時における均一混合性がよい。
更に、銅粉には、例えば、銀コーティングの銅粉等も使用でき、これにより電気伝導率を向上させて薄膜化を図ることができる。
電解により得られた銅粉は、薄い層を形成するために粒径をある程度細かくすることができる（例えば、平均粒径が３０〜６０μｍ程度）。また、成型性に優れるため、層中の銅の割合が多くなっても、圧粉体の成型性が低下しない作用を備えている。更に、図３から、電解により得られた銅粉（電解銅粉）は、アトマイズにより得られた銅粉（アトマイズ銅粉）よりも、熱伝導率が高いことから、熱放出（割れ防止）の観点からも好ましい。
しかし、銅粉には、アトマイズ粉を使用することもできる。このアトマイズ粉は、一般に球形で流動性がよく、樹脂粉との混合時における均一混合性がよい。
更に、銅粉には、例えば、銀コーティングの銅粉等も使用でき、これにより電気伝導率を向上させて薄膜化を図ることができる。
また、複合材料１０の各層１４〜１６の形成に使用するガラス繊維には、アスペクト比が１０〜５００（好ましくは、上限を４５０、更には４００）のものを使用する。
ここで、アスペクト比を上記した範囲に規定した理由について、図４を参照しながら説明する。なお、図４は、品質が良好であった焼結体中のガラス繊維の長さＬとそのアスペクト比Ｌ／Ｄ（長さ／径）との関係を示している。
図４に示すように、ガラス繊維の長さＬは１００〜８００μｍ程度であり、アスペクト比は１０〜７０程度であった。つまり、このアスペクト比を備えていれば、傾斜機能性複合材料の製品品質を良好にできることが分かる。
なお、ガラス繊維は、傾斜機能性複合材料の作製に際し、銅粉及び熱硬化性フェノール樹脂粉末と混合されてその長さが短くなる傾向にあり、この焼結体を製造するに際しては、アスペクト比の上限が５００であった。
ここで、アスペクト比を上記した範囲に規定した理由について、図４を参照しながら説明する。なお、図４は、品質が良好であった焼結体中のガラス繊維の長さＬとそのアスペクト比Ｌ／Ｄ（長さ／径）との関係を示している。
図４に示すように、ガラス繊維の長さＬは１００〜８００μｍ程度であり、アスペクト比は１０〜７０程度であった。つまり、このアスペクト比を備えていれば、傾斜機能性複合材料の製品品質を良好にできることが分かる。
なお、ガラス繊維は、傾斜機能性複合材料の作製に際し、銅粉及び熱硬化性フェノール樹脂粉末と混合されてその長さが短くなる傾向にあり、この焼結体を製造するに際しては、アスペクト比の上限が５００であった。
このガラス繊維の含有量は、傾斜機能材料１３の線膨張係数（熱膨張係数）が、銅１１の線膨張係数に近似する（近傍となる）ように調整されている。
ここで、銅の線膨張係数に近似するとは、線膨張係数の差による割れの発生を防止できる値、例えば、常温（２０℃）を基準とした銅の線膨張係数の±１０％（好ましくは±７％、更に好ましくは±５％）以内程度である。具体的には、銅の線膨張係数が１６．５×１０−６（Ｋ−１）であり、熱硬化性フェノール樹脂の粉末とガラス繊維との混合物の線膨張係数が１６×１０−６（Ｋ−１）である。なお、フェノール樹脂の線膨張係数は４０〜６０×１０−６（Ｋ−１）であり、ガラス繊維の線膨張係数は銅の線膨張係数よりも小さい。
この熱硬化性フェノール樹脂の粉末とガラス繊維は、予め混合されその混合物の線膨張係数が調整されたものを使用することが好ましい。
ここで、銅の線膨張係数に近似するとは、線膨張係数の差による割れの発生を防止できる値、例えば、常温（２０℃）を基準とした銅の線膨張係数の±１０％（好ましくは±７％、更に好ましくは±５％）以内程度である。具体的には、銅の線膨張係数が１６．５×１０−６（Ｋ−１）であり、熱硬化性フェノール樹脂の粉末とガラス繊維との混合物の線膨張係数が１６×１０−６（Ｋ−１）である。なお、フェノール樹脂の線膨張係数は４０〜６０×１０−６（Ｋ−１）であり、ガラス繊維の線膨張係数は銅の線膨張係数よりも小さい。
この熱硬化性フェノール樹脂の粉末とガラス繊維は、予め混合されその混合物の線膨張係数が調整されたものを使用することが好ましい。
以上に示した複合材料に使用する金属は、銅に限定されるものではなく、樹脂との接合が考えられる他の金属材料、例えば、アルミニウムやニッケル、又はステンレス等を使用することもできる。
また、樹脂にフェノール樹脂を使用したが、これに限定されるものではなく、金属との接合が考えられる他の樹脂、例えば、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂等（例えば、ＡＢＳ（アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン）樹脂）を使用することもできる。なお、複合材料の各層の形成に使用する樹脂には、接合対象であるフェノール樹脂との接合性が良好な同一成分のフェノール樹脂を使用したが、接合性が良好（接合可能）であれば、フェノール樹脂以外の他の樹脂（有機樹脂材料Ｂ）でもよい。
そして、無機質繊維Ａにガラス繊維を使用したが、これに限定されるものではなく、有機樹脂材料との混合物の線膨張係数を金属材料の線膨張係数近傍となるように調整できる他の無機質繊維、例えば、セラミックス繊維やウィスカー等を使用することもできる。
また、樹脂にフェノール樹脂を使用したが、これに限定されるものではなく、金属との接合が考えられる他の樹脂、例えば、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂等（例えば、ＡＢＳ（アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン）樹脂）を使用することもできる。なお、複合材料の各層の形成に使用する樹脂には、接合対象であるフェノール樹脂との接合性が良好な同一成分のフェノール樹脂を使用したが、接合性が良好（接合可能）であれば、フェノール樹脂以外の他の樹脂（有機樹脂材料Ｂ）でもよい。
そして、無機質繊維Ａにガラス繊維を使用したが、これに限定されるものではなく、有機樹脂材料との混合物の線膨張係数を金属材料の線膨張係数近傍となるように調整できる他の無機質繊維、例えば、セラミックス繊維やウィスカー等を使用することもできる。
ここで、傾斜機能材料の線膨張係数が銅の線膨張係数に近似するように、熱硬化性フェノール樹脂粉末及びガラス繊維の混合物に銅粉を傾斜配合した焼結体を用い、これを加熱して、線膨張係数への影響を検討した結果について、図５を参照しながら説明する。
図５に示すように、加熱温度が比較的低温である５０〜１００℃の範囲（◆）では、焼結体の線膨張係数を上記した方法で調整しているため、フェノール樹脂の含有率による影響はほとんどなく、焼結体の線膨張係数はほぼ一定である。
図５に示すように、加熱温度が比較的低温である５０〜１００℃の範囲（◆）では、焼結体の線膨張係数を上記した方法で調整しているため、フェノール樹脂の含有率による影響はほとんどなく、焼結体の線膨張係数はほぼ一定である。
しかし、加熱温度を上昇させると、焼結体の線膨張係数がフェノール樹脂の含有量に影響され、焼結体の線膨張係数が大きくなる。このため、混合物に銅粉を傾斜配合した層を、銅側からフェノール樹脂側へかけて複数形成することで、隣合う層の界面で傾斜機能性複合材料にかかる応力を分散でき、傾斜機能性複合材料の割れを抑制できる。この分割は、隣合う各層の線膨張係数の差が±２０％（好ましくは±１５％、更に好ましくは±１０％）以内となるように行うのがよい。
なお、傾斜配合した層は、銅粉の含有率を徐々に変化させ、焼結後は各層の含有率をなだらかにして、連続的にすることもできる。
なお、傾斜配合した層は、銅粉の含有率を徐々に変化させ、焼結後は各層の含有率をなだらかにして、連続的にすることもできる。
続いて、本発明の一実施の形態に係る傾斜機能性複合材料１０の製造方法を、図１（Ａ）、（Ｂ）、図６（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら説明する。
傾斜機能性複合材料１０の製造は、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す放電プラズマ焼結装置３０を用いて、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法：Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）により行う。
放電プラズマ焼結法は、例えば、取扱い操作の容易さ、ランニングコストの低廉さ、材料を選ばない多様性、ハイスピード焼結等の特性をもち、焼結技術の熟練を不要とし、金属、セラミックス、ポリマー、コンポジット材料をはじめ、傾斜機能材料、ナノフェーズ材料、熱電半導体材料など、広範囲の材料を対象とする焼結法である。
傾斜機能性複合材料１０の製造は、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す放電プラズマ焼結装置３０を用いて、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法：Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）により行う。
放電プラズマ焼結法は、例えば、取扱い操作の容易さ、ランニングコストの低廉さ、材料を選ばない多様性、ハイスピード焼結等の特性をもち、焼結技術の熟練を不要とし、金属、セラミックス、ポリマー、コンポジット材料をはじめ、傾斜機能材料、ナノフェーズ材料、熱電半導体材料など、広範囲の材料を対象とする焼結法である。
この方法は、圧粉体粒子間隙に低電圧でパルス状の大電流を投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマ（高温プラズマ：瞬間的に数千〜１万℃の高温度場が粒子間に生じる）の高エネルギーを、熱拡散や電解拡散などへ効果的に応用したものである。これにより、低温から２０００℃以上の超高温域において、従来法に比べ２００〜５００℃ほど低い温度域で、昇温と保持の時間を含め、金属やセラミックでも概ね５〜２０分程度の短時間で焼結を完了できる。なお、この方法は、ＯＮ−ＯＦＦ直流パルス通電を用いた加圧焼結法の一種であり、パルス通電では、焼結の進行状況を観測しながら投入エネルギーをデジタル的に精度よく制御することができる。
この方法を用いた異種材料の接合については、主に、融点の高い金属同士、あるいは金属／セラミックスの接合について、従来から研究開発がなされているが、融点や線膨張係数の大きく異なる樹脂と金属の接合に用いられた例はなかった。そのため、前記したように、金型内に金属部品を装填し、この金属部品の周りに樹脂を注入（充填）する「インサート成形」が主流であった。
しかし、以下に示す方法により、放電プラズマ焼結装置３０を用いて傾斜機能性複合材料１０を製造できる。
しかし、以下に示す方法により、放電プラズマ焼結装置３０を用いて傾斜機能性複合材料１０を製造できる。
まず、放電プラズマ焼結装置３０のグラファイト型３１内に、複合材料１０の銅１１を構成する銅粉と、層１４（銅の含有量：７５質量％）を構成する粉体とを、積層して配置する（積層体）。このグラファイト型３１は、貫通孔３２を備える円筒状の焼結ダイ３３と、焼結ダイ３３の貫通孔３２内に充填された銅粉と粉体を、その積層方向から挟込み可能な上部パンチ３４及び下部パンチ３５とを有するものである。なお、粉体と下部パンチ３５との間には、焼結体と下部パンチ３５との密着を防止するカーボンペーパ３６を配置する。
次に、このグラファイト型３１を放電プラズマ焼結装置３０の真空チャンバー３７内に配置し、グラファイト型３１の上部パンチ３４と下部パンチ３５を、上部パンチ電極３８と下部パンチ電極３９とで挟込み、加圧手段（図示しない）により加圧する。
次に、このグラファイト型３１を放電プラズマ焼結装置３０の真空チャンバー３７内に配置し、グラファイト型３１の上部パンチ３４と下部パンチ３５を、上部パンチ電極３８と下部パンチ電極３９とで挟込み、加圧手段（図示しない）により加圧する。
そして、電源４０により、上部パンチ電極３８と下部パンチ電極３９に通電して、粉体の焼結を行う（１回目の焼結）。
この焼結は、銅１１と銅の含有率が高い層１４（即ち、融点の高い高融点材リッチ層）の焼結であるため、焼結保持温度を４００〜５５０℃（ここでは、４５０〜５００℃）とし、保持時間を２〜１０分（ここでは３分）、加圧力を４０〜７０ＭＰａ（５０〜６０ＭＰａ）とする。なお、焼結保持温度までは、１０〜２０分（ここでは、１４〜１５分）で昇温する。
焼結が終了した後は、加圧力を抜いて自然冷却する。
これにより、図１（Ａ）に示す焼結体（加熱結合体）が得られる。
この焼結は、銅１１と銅の含有率が高い層１４（即ち、融点の高い高融点材リッチ層）の焼結であるため、焼結保持温度を４００〜５５０℃（ここでは、４５０〜５００℃）とし、保持時間を２〜１０分（ここでは３分）、加圧力を４０〜７０ＭＰａ（５０〜６０ＭＰａ）とする。なお、焼結保持温度までは、１０〜２０分（ここでは、１４〜１５分）で昇温する。
焼結が終了した後は、加圧力を抜いて自然冷却する。
これにより、図１（Ａ）に示す焼結体（加熱結合体）が得られる。
続いて、取り出したグラファイト型３１内に、焼結体の層１４に接するように、複合材料１０の層１５（銅の含有量：５０質量％）、層１６（銅の含有量：２５質量％）を構成する粉体、及びフェノール樹脂１２の粉末を、順次積層する（積層体）。
そして、上記した方法と同様に、グラファイト型３１を真空チャンバー３７内に配置した後、電源４０により、上部パンチ電極３８と下部パンチ電極３９に通電して、粉体の焼結を行う（２回目の焼結）。
この焼結は、銅の含有率が低い層１５、１６とフェノール樹脂１２（即ち、高融点材リッチ層より融点の低い低融点材リッチ層）の焼結であるため、焼結保持温度を、１回目の焼結よりも低く設定する。
そして、上記した方法と同様に、グラファイト型３１を真空チャンバー３７内に配置した後、電源４０により、上部パンチ電極３８と下部パンチ電極３９に通電して、粉体の焼結を行う（２回目の焼結）。
この焼結は、銅の含有率が低い層１５、１６とフェノール樹脂１２（即ち、高融点材リッチ層より融点の低い低融点材リッチ層）の焼結であるため、焼結保持温度を、１回目の焼結よりも低く設定する。
具体的には、焼結保持温度を１７０〜３８０℃（ここでは、２００〜３５０℃）とし、保持時間を０又は０を超え１分（ここでは０分）、加圧力を４０〜７０ＭＰａ（５０〜６０ＭＰａ）とする。なお、焼結保持温度までは、５〜２０分（ここでは、８〜１５分）で昇温する。
また、焼結保持温度までの昇温途中でステップヒーティングを行うこともできる。
具体的には、保持温度を、樹脂の軟化温度（ここでは約１００℃）よりやや高めの１００〜１２０℃（ここでは１２０℃）とし、保持時間を１〜１０分（ここでは５分）、加圧力を４０〜７０ＭＰａ（ここでは、６０ＭＰａ）とする。なお、保持温度までは、１〜５分（ここでは、２分）で昇温する。軟化点直上の温度におけるステップヒーティングにより、加圧力の作用下で軟化した樹脂の流動性がよくなり、内部の空隙が減少し、ガス抜きができると共に、緻密性も上昇する。
その後、焼結保持温度まで昇温する。
また、焼結保持温度までの昇温途中でステップヒーティングを行うこともできる。
具体的には、保持温度を、樹脂の軟化温度（ここでは約１００℃）よりやや高めの１００〜１２０℃（ここでは１２０℃）とし、保持時間を１〜１０分（ここでは５分）、加圧力を４０〜７０ＭＰａ（ここでは、６０ＭＰａ）とする。なお、保持温度までは、１〜５分（ここでは、２分）で昇温する。軟化点直上の温度におけるステップヒーティングにより、加圧力の作用下で軟化した樹脂の流動性がよくなり、内部の空隙が減少し、ガス抜きができると共に、緻密性も上昇する。
その後、焼結保持温度まで昇温する。
焼結が終了した後は、加圧力を抜いて自然冷却する。
これにより、図１（Ｂ）に示す焼結体（加熱結合体）が得られる。
このように、複合材料１０を構成する銅１１、各層１４〜１６、及びフェノール樹脂１２の積層体を、高融点材リッチ層と低融点材リッチ層とに分け、高融点材リッチ層の焼結を最初に行い、次に、低融点材リッチ層の焼結を行うことで、フェノール樹脂の品質低下を招くことなく、複合材料１０を製造できるが、複合材料を構成する材料によっては、一度に焼結させて製造してもよい。
これにより、図１（Ｂ）に示す焼結体（加熱結合体）が得られる。
このように、複合材料１０を構成する銅１１、各層１４〜１６、及びフェノール樹脂１２の積層体を、高融点材リッチ層と低融点材リッチ層とに分け、高融点材リッチ層の焼結を最初に行い、次に、低融点材リッチ層の焼結を行うことで、フェノール樹脂の品質低下を招くことなく、複合材料１０を製造できるが、複合材料を構成する材料によっては、一度に焼結させて製造してもよい。
上記したように、放電プラズマ焼結装置３０を用いて複合材料１０を製造することで、複合材料の製造に使用する電気量を、従来の焼結方法で使用する電気量と比べて低減できる。
具体的には、直径約２０ｍｍの整流子１個を従来の焼結方法で成形するのに使用している電気量が、「２００Ｖ×５０Ａ×３分×６０秒＝１８０００００（Ｖ・Ａ・秒）」である。
一方、放電プラズマ焼結法で使用した電気量は、「０．３３０（ｋＷ・時間）×１０００×３６００秒＝１１８８０００（Ｖ・Ａ・秒）」である。詳細には、一次焼結において、通電時間は０．３０１７（時間）、平均電力は０．７４２４（ｋＷ）、電気量は０．２２４（ｋＷ・時間）であり、二次焼結において、通電時間は０．１３００（時間）、平均電力は０．８１８１（ｋＷ）、電気量は０．１０６（ｋＷ・時間）である。
従って、複合材料の製造に使用する電気量を、従来の６６％まで低減できる。
具体的には、直径約２０ｍｍの整流子１個を従来の焼結方法で成形するのに使用している電気量が、「２００Ｖ×５０Ａ×３分×６０秒＝１８０００００（Ｖ・Ａ・秒）」である。
一方、放電プラズマ焼結法で使用した電気量は、「０．３３０（ｋＷ・時間）×１０００×３６００秒＝１１８８０００（Ｖ・Ａ・秒）」である。詳細には、一次焼結において、通電時間は０．３０１７（時間）、平均電力は０．７４２４（ｋＷ）、電気量は０．２２４（ｋＷ・時間）であり、二次焼結において、通電時間は０．１３００（時間）、平均電力は０．８１８１（ｋＷ）、電気量は０．１０６（ｋＷ・時間）である。
従って、複合材料の製造に使用する電気量を、従来の６６％まで低減できる。
また、上記したように、残留熱応力の緩和機能を有する複合材料１０を、焼結処理時間の極めて短い放電プラズマ焼結法により製造することで、焼結させた複合材料１０の残留応力の除去熱処理が不要となるため、整流子１個を製造するのに要する消費エネルギーを、更に減少させることができる。
そして、高融点金属やセラミックスの焼結と比較して、低温度の焼結処理が可能になる。
なお、複合材料の焼結条件は、上記した条件に限定されるものではなく、例えば、各金属材料、有機材料、及び無機材料の種類に応じて、その融点や焼結後の密度等を考慮して適宜設定できる。
そして、高融点金属やセラミックスの焼結と比較して、低温度の焼結処理が可能になる。
なお、複合材料の焼結条件は、上記した条件に限定されるものではなく、例えば、各金属材料、有機材料、及び無機材料の種類に応じて、その融点や焼結後の密度等を考慮して適宜設定できる。
製造した複合材料の銅からの剥離強度は、ＪＩＳ Ｋ６９１５に基づく静的引張試験により、フェノール樹脂の引張り強さ（５０ＭＰａ）と同等以上にできる。
これにより、従来品に要求される品質と同等以上の品質を保持することができる。
また、従来のモータ用の整流子には、前記したように、アンカー部分のみで全銅使用量の約３０％を占める銅が使用されている。しかし、傾斜機能性複合材料を使用することにより、アンカー部のみならず、アンカー部に作用するモーメントを支えるため厚みを厚くしていた最外層のブラシ接触部の厚みも薄層化でき、全体として、整流子における銅の使用量を３０％程度削減できる。
これにより、従来品に要求される品質と同等以上の品質を保持することができる。
また、従来のモータ用の整流子には、前記したように、アンカー部分のみで全銅使用量の約３０％を占める銅が使用されている。しかし、傾斜機能性複合材料を使用することにより、アンカー部のみならず、アンカー部に作用するモーメントを支えるため厚みを厚くしていた最外層のブラシ接触部の厚みも薄層化でき、全体として、整流子における銅の使用量を３０％程度削減できる。
なお、傾斜機能性複合材料１０の製造は、以上に示した放電プラズマ焼結法に限定されるものではなく、以上に示した傾斜機能性複合材料１０の性能が得られれば、他の製造方法を用いてもよい。
以上の方法により、銅１１とフェノール樹脂１２との接合を安定に実施できると共に、製品の品質向上や軽量化並びに省資源化も図ることが可能となる。
以上の方法により、銅１１とフェノール樹脂１２との接合を安定に実施できると共に、製品の品質向上や軽量化並びに省資源化も図ることが可能となる。
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の傾斜機能性複合材料及びその製造方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、傾斜機能性複合材料を、自動車用電動モータに設けられた整流子の銅とフェノール樹脂とを接合する箇所に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、家電用モータの整流子に適用することもでき、更には金属と樹脂を接合する箇所であれば、例えば、自動車、電車、航空機、船舶、各種家電製品等に適用することもできる。
そして、前記実施の形態においては、傾斜機能性複合材料の他方を、有機樹脂材料Ａのみで構成した場合について説明したが、有機樹脂材料Ａに無機質繊維Ｂが含まれてもよい（無機質繊維Ｂの含有量は、例えば、０を超え５０質量％以下程度）。この無機質繊維Ｂには、無機質繊維Ａと同一形状で同一材質のものを使用できるが、異なる形状又は材質のものを使用することもできる。
また、前記実施の形態においては、傾斜機能性複合材料を、自動車用電動モータに設けられた整流子の銅とフェノール樹脂とを接合する箇所に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、家電用モータの整流子に適用することもでき、更には金属と樹脂を接合する箇所であれば、例えば、自動車、電車、航空機、船舶、各種家電製品等に適用することもできる。
そして、前記実施の形態においては、傾斜機能性複合材料の他方を、有機樹脂材料Ａのみで構成した場合について説明したが、有機樹脂材料Ａに無機質繊維Ｂが含まれてもよい（無機質繊維Ｂの含有量は、例えば、０を超え５０質量％以下程度）。この無機質繊維Ｂには、無機質繊維Ａと同一形状で同一材質のものを使用できるが、異なる形状又は材質のものを使用することもできる。
１０：傾斜機能性複合材料、１１：銅（金属材料）、１２：フェノール樹脂（有機樹脂材料Ａ）、１３：傾斜機能材料、１４〜１６：層、１７：整流子、１８：銅、１９：フェノール樹脂、２０、２１：層、２２：傾斜機能材料、３０：放電プラズマ焼結装置、３１：グラファイト型、３２：貫通孔、３３：焼結ダイ、３４：上部パンチ、３５：下部パンチ、３６：カーボンペーパ、３７：真空チャンバー、３８：上部パンチ電極、３９：下部パンチ電極、４０：電源
Claims (13)
- 一方に金属材料を、他方に有機樹脂材料Ａを、前記金属材料と前記有機樹脂材料Ａの間に傾斜機能材料を配置した傾斜機能性複合材料であって、
前記傾斜機能材料は、１）前記有機樹脂材料Ａ又は前記有機樹脂材料Ａと接合可能な有機樹脂材料Ｂの粉末と、２）無機質繊維Ａとの混合物に、前記金属材料の粉末を傾斜配合して前記金属材料に線膨張係数が近似した加熱結合体であることを特徴とする傾斜機能性複合材料。 - 請求項１記載の傾斜機能性複合材料において、前記無機質繊維Ａはガラス繊維であることを特徴とする傾斜機能性複合材料。
- 請求項２記載の傾斜機能性複合材料において、前記ガラス繊維のアスペクト比は１０〜５００であることを特徴とする傾斜機能性複合材料。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の傾斜機能性複合材料において、前記金属材料は銅であることを特徴とする傾斜機能性複合材料。
- 請求項４記載の傾斜機能性複合材料において、前記銅の粉末は電解により得られたフレーク状のものであることを特徴とする傾斜機能性複合材料。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の傾斜機能性複合材料において、前記有機樹脂材料Ａは熱硬化性フェノール樹脂であることを特徴とする傾斜機能性複合材料。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の傾斜機能性複合材料において、他方に配置される前記有機樹脂材料Ａには無機質繊維Ｂが含まれることを特徴とする傾斜機能性複合材料。
- 請求項１〜７のいずれか１項に記載の傾斜機能性複合材料において、モータの整流子に使用することを特徴とする傾斜機能性複合材料。
- 一方に金属材料を、他方に有機樹脂材料Ａを、前記金属材料と前記有機樹脂材料Ａの間に傾斜機能材料を配置した傾斜機能性複合材料の製造方法であって、
前記傾斜機能材料を、１）前記有機樹脂材料Ａ又は前記有機樹脂材料Ａと接合可能な有機樹脂材料Ｂの粉末と、２）無機質繊維Ａとの混合物に、前記金属材料の粉末を傾斜配合して前記金属材料に線膨張係数が近似した積層体とし、
前記金属材料、前記積層体、及び前記有機樹脂材料Ａを、加圧状態で加熱することを特徴とする傾斜機能性複合材料の製造方法。 - 請求項９記載の傾斜機能性複合材料の製造方法において、前記加圧状態での加熱には、放電プラズマ焼結法を用いたことを特徴とする傾斜機能性複合材料の製造方法。
- 請求項１０記載の傾斜機能性複合材料の製造方法において、前記積層体を、高融点材リッチ層と、該高融点材リッチ層よりも融点の低い低融点材リッチ層とに分けて、前記高融点材リッチ層の焼結を最初に行い、次に、前記低融点材リッチ層の焼結を行うことを特徴とする傾斜機能性複合材料の製造方法。
- 請求項１１記載の傾斜機能性複合材料の製造方法において、前記低融点材リッチ層の焼結にステップヒーティングを用いることを特徴とする傾斜機能性複合材料の製造方法。
- 請求項９〜１２のいずれか１項に記載の傾斜機能性複合材料の製造方法において、他方に配置される前記有機樹脂材料Ａには無機質繊維Ｂが含まれることを特徴とする傾斜機能性複合材料の製造方法。
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