JP2014141733A - アルミニウム多孔体およびその製造方法 - Google Patents

アルミニウム多孔体およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高い気孔率を有するアルミニウム多孔体を連続的な製造工程によって製造することができるアルミニウム多孔体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】このアルミニウム多孔体は、複数本のアルミニウム繊維１が連結されてなり、かつ各々のアルミニウム繊維１は、当該アルミニウム繊維１の外周面から外方に突出する複数本の柱状突起２が間隔をおいて形成され、隣接するアルミニウム繊維１が、当該アルミニウム繊維１および柱状突起２によって一体化されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数本のアルミニウム繊維によって構成されたアルミニウム多孔体およびその製造方法に関するものである。
例えば、電気二層式キャパシタやリチウムイオン電池の電極集電体、あるいは熱交換用ヒートパイプの冷媒通路やスターリングエンジン機構の再生器として、アルミニウムからなる多孔体が多く提案されている。
従来、このようなアルミニウム多孔体としては、アルミニウム箔を成形したものや、下記特許文献１に見られるようなアルミニウム粉末を焼結した骨格を有するものが知られている。
しかしながら、これらアルミニウム箔やアルミニウム粉末によって多孔体を形成した場合には、高い気孔率のものを得ることが難しいという問題点があった。他方、上記キャパシタやリチウムイオン電池においては、電極集電体の開放気孔率が高いほど、優れた特性を得ることができるとともに、同様に熱交換器の冷媒通路としても多孔体の開口気孔率が高いほど、熱交換効率が高められることから、その改良が要請されていた。
そこで、本発明者等は、下記特許文献２において、アルミニウム粉末とチタン等を含む焼結助剤粉末を混合した混合原料粉末を用いて粘性組成物を成形し、さらにこれを発泡させた後に、非酸化性雰囲気下において加熱焼結することによって、三次元網目状骨格構造を有するアルミニウム多孔質体を製造する方法を提案した。当該製造方法によれば、７０〜９０％といった高い気孔率を有するアルミニウム多孔質体を得ることができる。
ところが、上記アルミニウム多孔質体の製造方法にあっては、特に粘性組成物を発泡させる工程に所定の保持時間を要するために、所謂バッチ処理となり、全体として連続的かつ高効率的な製造を行うことが難しいという問題点があった。
特開２００９−２５６７８８号公報 特開２０１０−２８０９５１号公報
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い気孔率を有するアルミニウム多孔体を連続的かつ高効率的な製造工程によって製造することができるアルミニウム多孔体およびその製造方法を提供することを課題とするものである。
上記課題を解決するため、請求項１に記載のアルミニウム多孔体は、複数のアルミニウム繊維が焼結されたアルミニウム多孔体であって、各々の上記アルミニウム繊維は、当該アルミニウム繊維の外周面から外方に突出する複数本の柱状突起を有し、上記アルミニウム繊維および上記柱状突起によって一体化されていることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記柱状突起が、その先端部にチタンおよびアルミニウムからなる化合物を含むことを特徴とするものである。
次いで、請求項３に記載のアルミニウム多孔体の製造方法は、アルミニウム繊維の外周面に、チタン粉および／または水素化チタン粉を固着させて、不活性ガス雰囲気下において６５５℃〜６６５℃の範囲の温度で焼結することを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、上記チタン粉および／または水素化チタン粉は、粒径が１〜５０μｍであるとともに、重量比において上記アルミニウム繊維１００に対して０．５〜２０の量を加えることを特徴とするものである。
さらに、請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の発明において、予め上記アルミニウム繊維に上記チタン粉および／または水素化チタン粉を加えて混合した後に、当該混合物をカーボン敷板上またはカーボン容器内に所定形状に散布し、次いで上記焼結を行うことを特徴とするものである。
請求項１または２に記載のアルミニウム多孔体および請求項３〜５のいずれかに記載のアルミニウム多孔体の製造方法によれば、気孔率が７０％以上のアルミニウム多孔体を、連続的に、かつ比較的安価に製造することが可能になる。
本発明のアルミニウム多孔体の一実施例を示す模式図である。 図１のアルミニウム多孔体の原料となるアルミニウム繊維を示す模式図である。 図２のアルミニウム繊維の外周面にチタンまたは水素化チタン粉末が付着した状態を示す模式図である。 図３のアルミニウム繊維の外周面に柱状突起が形成された状態を示す模式図である。 本発明のアルミニウム多孔体の第２の実施形態を示す外観図である。 本発明の実施例によって製作されたアルミニウム多孔体のマイクロスコープによる写真である。 図６のアルミニウム繊維部分を拡大した写真である。 同じく、図６の他のアルミニウム繊維部分を拡大した写真である。 同じく、図６の他のアルミニウム繊維部分を拡大した写真である。
（第１の実施形態）
図１〜図４は、本発明のアルミニウム多孔体の第１の実施形態を示すものである。
このアルミニウム多孔体は、複数のアルミニウム繊維１が互いに連結されて一体化されるとともに板状に成形されたものである。ここで、各々のアルミニウム繊維１は、平均線径が４０〜３００μｍ（好ましくは、５０〜１００μｍ）であって、長さが０．２〜２０ｍｍ（好ましくは、１〜１０ｍｍ）である。
ここで、各々のアルミニウム繊維１は、その外周面に、当該外周面から外方に突出する複数本の柱状突起２が形成されている。これら柱状突起２は、互いに間隔をおいて当該アルミニウム繊維の長さ１００μｍあたり５〜１００箇に所形成されている。また、各々の柱状突起２は、アルミニウム繊維１よりも小径であるとともに、上記外周面から外方に突出する長さが１〜５００μｍに形成されている。
さらに、各柱状突起２は、少なくともその先端部分が、アルミニウム繊維１自体よりも高融点のチタンおよびアルミニウムからなる化合物によって形成されている。
そして、このアルミニウム多孔体は、アルミニウム繊維１自体および隣接する上記アルミニウム繊維１の柱状突起２同士が互いに接合されて一体化されることにより構成されている。
次に、上記構成からなるアルミニウム多孔体の製造方法について説明する。
先ず、常温において、平均線径が４０〜３００μｍ（好ましくは、５０〜２００μｍ）であって長さが０．２〜２０ｍｍ（好ましくは、１〜１０ｍｍ）である多数本アルミニウム繊維１に、平均粒径が１〜５０μｍ（好ましくは、５〜３０μｍ）のチタン粉もしくは水素化チタン粉またはこれらの混合粉（以下、総称してチタン粉３という。）を加えて混合することによりプレミックス繊維を得る（原料プレミックス工程）。
この際に、チタン粉３は、重量比において上記アルミニウム繊維１００に対して０．５〜２０の量を加える。そして、自動乳鉢、パン型転動造粒機、シェーカーミキサー等の混合装置を用いて、アルミニウム繊維１とチタン粉３とを流動させながら混合することにより、図３に示すように、アルミニウム繊維１の外周面に、チタン粉３を５〜１００μｍの間隔で均一に分散させて固着させる。
次いで、上記プレミックス繊維に有機バインダー溶液を噴霧して混合し、４０℃以下で乾燥する。ここで使用する有機バインダーとしては、大気中５００℃で燃焼・分解・気化して、炭素が残留しないものが望ましい。このような有機バインダーとしては、アクリル系樹脂、セルロース系高分子体等が好適である。
また、溶剤としては、水系、アルコール系、アルコール以外の有機溶剤系を用いることができる。但し、水系の溶剤を用いる場合には、アルミニウム繊維１は水が共存した状態で、５０℃を超えると急激に酸化が進行するため、上述したように４０℃以下で乾燥することが望ましい。
次に、上記工程によって作製したプレミックス繊維原料を、所定の充填速度で定量的に振動コンベアに供給する。すると、プレミックス繊維は、振動コンベア上を進行方向に移動しつつ、当該振動コンベアの幅方向に広がり、厚さのバラツキが±１０％以下にレベリングされる。次いで、振動コンベア上のプレミックス繊維を、焼成炉のベルトコンベア上に載置されたカーボン敷板の上に乗り移らせる。この際に、焼成炉のベルトコンベアは、一定速度で移動しているために、プレミックス繊維は、カーボン敷板上に厚さのバラツキが±１０％以下のほぼ均一な厚さで連続的に移し替えられる。
なお、プレミックス繊維をカーボン敷板上に移し替えることにより、後段の焼成工程において、アルミニウム繊維が付着することを防止することができる。ちなみに、使用するカーボン敷板は、硬質の板状のものや可撓性のあるシート状のものが使用可能である。
また、カーボン敷板上のプレミックス繊維原料の厚さは、製品の厚さよりも１〜１０％、望ましくは２〜５％厚くしておき、後段の焼成工程を経た後に、圧延して上記製品の所定の厚さ寸法および嵩密度に成形することが好ましい。なお、嵩密度は、製品の用途等によって適正値が異なるが、例えば上記製品が、電気二層式キャパシタやリチウムイオン電池の電極集電体である場合には、０．２〜０．６ｇ／ｃｍ3の範囲に成形することが望ましい。
次いで、カーボン敷板上のプレミックス繊維原料を、上記ベルトコンベアによって焼結炉内に移送し、先ず３５０〜５００℃の温度範囲において、０．５〜５分間保持することにより、脱バインダー処理を行った後に、アルゴンガス雰囲気下、露点−５０℃以下（好ましくは、−６５℃以下）において、６５５〜６６５℃の温度範囲において、０．５〜６０分間（好ましくは、１〜２０分間）保持することにより本焼結を行う（焼結工程）。これにより、多数本のアルミニウム繊維１が連結されたアルミニウム多孔体が成形される。
この焼結工程におけるアルミニウム多孔体の生成過程を詳述すると、先ず焼結工程前において、アルミニウム繊維１は、その外周面に形成されていた酸化物によって覆われた状態にある。そして、この焼結工程において６５５〜６６５℃の温度範囲に昇温されることにより溶融したアルミニウムによって内圧が高くなる。
他方、上記焼結温度において、アルミニウム繊維１の外周面に固着したチタン粉３によって、当該固着箇所のアルミニウム酸化物と反応し、アルミニウム酸化膜が破れることにより、内部の溶融アルミニウムが外方に吹き出す。そして、吹き出したアルミニウムとチタンとの反応により融点がより高い化合物が形成され、これによって固化して図４に示すような柱状突起２が形成されるとともに、隣接したアルミニウム繊維１の柱状突起２と溶融状態で一体化したり、あるいは互いに固相焼結されたりして、アルミニウム繊維１同士が連結される。これにより、全体として図１に示すようなアルミニウム多孔体が成形される。なお、アルミニウムとチタンとの反応により生成した化合物としては、例えば、Ａｌ3Ｔｉなどがある。
したがって、上記構成からなるアルミニウム多孔体の製造方法によれば、気孔率が７０％以上のアルミニウム多孔体を、連続的に、かつ比較的安価に製造することが可能になる。
なお、上記第１の実施形態では、アルミニウム繊維１のみを用いて、シート状の焼結体を製造したが、アルミニウム繊維１にアルミニウム粉末を混合することも可能である。例えば、アルミニウム粉末としては、平均粒径２０〜３００μｍを用いることができる。また、アルミニウム粉末は、アルミニウム繊維及びアルミニウム粉末の合計量に対して質量比率で２０〜５０質量％含ませることができる。
このようにアルミニウム粉末を適宜混合させることによって、アルミニウム多孔体の気孔率を調整したり、あるいは当該アルミニウム多孔体の機械的強度を向上させたりすることができる。
（第２の実施形態）
図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るアルミニウム多孔体の第２の実施形態を示すものである。
このアルミニウム多孔体が第１の実施形態に示したものと相違する点は、第１の実施形態に示したものと同様に複数のアルミニウム繊維１が互いに連結されて一体化されたものであるものの、その形状が円柱状、円筒状、方形板状等のバルク状に成形されていることにある。
ここで、上記アルミニウム多孔体の製造方法について説明すると、この製造方法においても、平均線径が４０〜３００μｍ（好ましくは、５０〜２００μｍ）であって長さが０．２〜２０ｍｍ（好ましくは、１〜１０ｍｍ）である多数本アルミニウム繊維１に、平均粒径が１〜５０μｍ（好ましくは、５〜３０μｍ）のチタン粉もしくは水素化チタン粉またはこれらの混合粉（以下、総称してチタン粉３という。）を加えて混合することによりプレミックス繊維を得る原料プレミックス工程までは、上記第１の実施形態に示したものと同一である。
ただし、この製造方法においては、上記工程によって作製したプレミックス繊維原料を、例えば図５（ａ）〜（ｃ）に示した製品形状を画成するカーボンモールド（図５（ｃ）では、２００ｍｍ×２００ｍｍの開口部を有し、深さ２０ｍｍ）内に、充填速度で定量的に供給して嵩充填する。この際に、図５（ａ）および（ｂ）に示すような穴部あるいは貫通孔を有するアルミニウム多孔体を製造する場合には、予めカーボンモールド内の所定位置に、上記穴部あるいは貫通孔を形成するための中子を配置しておく。
次いで、上記カーボンモールドを焼結炉内に移送し、先ず３５０〜５００℃の温度範囲において、０．５〜５分間保持することにより、脱バインダー処理を行った後に、アルゴンガス雰囲気下、露点−５０℃以下（好ましくは、−６５℃以下）において、６５５〜６６５℃の温度範囲において、０．５〜６０分間（好ましくは、１〜２０分間）保持することにより本焼結を行う（焼結工程）。これにより、図５（ａ）〜（ｃ）に示すような形状を有する多数本のアルミニウム繊維１が連結されたアルミニウム多孔体が成形される。上記構成からなるアルミニウム多孔体の製造方法によれば、気孔率７０％以上、気孔径３００〜６００μｍを有するアルミニウム多孔体が得られる。
第１の実施形態に示したアルミニウム多孔体の製造方法によって、アルミニウム多孔体を製作した。
先ず、プレミックス繊維として、平均線径５０μｍのアルミニウム繊維に、平均粒径１０μｍの水素化チタン（ＴｉＨ2）を５重量％添加してプレミックス繊維とした後に、これにセルロース系バインダーを湿式混合・乾燥して得られたものを用いた。
そして、これをカーボン敷板の上に均一に散布して、嵩充填の状態で約１ｍｍの充填層を得た。次いで、このカーボン敷板上のプレミックス繊維を、アルゴンガス雰囲気中において、６５８℃、露点−６５℃以下の条件において、１０分間焼結してアルミニウム多孔体とした。
図６〜図９は、このようにして製作されたアルミニウム多孔体をマイクロスコープで観察して撮影したものである。
これらの写真から、得られたアルミニウム多孔体は、平均線径が５０μｍである多数本のアルミニウム繊維の外周面に、当該外周面から外方に突出する長さが細い複数本の柱状突起が間隔をおいて形成され、隣接するアルミニウム繊維が互いの柱状突起において連結されて一体化されることによって構成されていることが判る。
１ アルミニウム繊維
２ 柱状突起
３ チタン粉

Claims (5)

  1. 複数のアルミニウム繊維が焼結されたアルミニウム多孔体であって、
    各々の上記アルミニウム繊維は、当該アルミニウム繊維の外周面から外方に突出する複数本の柱状突起を有し、上記アルミニウム繊維および上記柱状突起によって一体化されていることを特徴とするアルミニウム多孔体。
  2. 上記柱状突起は、その先端部にチタンおよびアルミニウムからなる化合物を含むことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム多孔体。
  3. アルミニウム繊維の外周面に、チタン粉および／または水素化チタン粉を固着させて、不活性ガス雰囲気下において６５５℃〜６６５℃の範囲の温度で焼結することを特徴とするアルミニウム多孔体の製造方法。
  4. 上記チタン粉および／または水素化チタン粉は、粒径が１〜５０μｍであるとともに、重量比において上記アルミニウム繊維１００に対して０．５〜２０の量を加えることを特徴とする請求項３に記載のアルミニウム多孔体の製造方法。
  5. 予め上記アルミニウム繊維に上記チタン粉および／または水素化チタン粉を加えて混合した後に、当該混合物をカーボン敷板上またはカーボン容器内に所定形状に散布し、次いで上記焼結を行うことを特徴とする請求項３または４に記載のアルミニウム多孔体の製造方法。
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