JP2015071258A - アルミニウム・樹脂複合体、アルミニウム絶縁電線及びフラットケーブル並びにそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属3と、金属3の表面に形成されたアルミナナノポーラス層5を介して金属3と接合する樹脂7と、を有することを特徴とするアルミニウム・樹脂複合体を用いる。アルミナナノポーラス層5は、平均粒径5〜100nmのアルミナナノ粒子を含み、3次元的に連通する孔を有することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
(1)アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属と、前記金属の表面に形成されたアルミナナノポーラス層を介して前記金属と接合する樹脂と、を有することを特徴とするアルミニウム・樹脂複合体。
(2)前記アルミナナノポーラス層は、平均粒径5〜100nmのアルミナナノ粒子を含み、3次元的に連通する孔を有することを特徴とする(1)に記載のアルミニウム・樹脂複合体。
(3)前記樹脂が、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステル、ホルマール、ポリウレタン、ポリエステル、ポリビニルホルマール、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリヒダントインからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む熱硬化性樹脂であることを特徴とする(1)または(2)に記載のアルミニウム・樹脂複合体。
(4)前記金属と前記樹脂との界面において、前記金属の十点平均粗さRzが20μm以下であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のアルミニウム・樹脂複合体。
(5)アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属線と、前記金属線の表面に形成されたアルミナナノポーラス層を介して前記金属線を被覆する絶縁被膜と、を有することを特徴とするアルミニウム絶縁電線。
(6)アルミニウム又はアルミニウム合金からなる導体と、前記導体の表面に形成されたアルミナナノポーラス層を介して前記導体を両側から挟む樹脂層と、を有することを特徴とするフラットケーブル。
(7)アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属の表面に、レーザを照射してアルミナナノポーラス層を形成する工程と、前記アルミナナノポーラス層の上に樹脂を形成する工程と、を有することを特徴とするアルミニウム・樹脂複合体の製造方法。
(8)アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属線の表面に、レーザを照射してアルミナナノポーラス層を形成する工程と、前記アルミナナノポーラス層を介して前記金属線の上に絶縁被膜を形成する工程と、を有することを特徴とするアルミニウム絶縁電線の製造方法。
(9)アルミニウム又はアルミニウム合金からなる導体の表面に、レーザを照射してアルミナナノポーラス層を形成する工程と、前記アルミナナノポーラス層を介して前記導体に樹脂層を形成する工程と、を有することを特徴とするフラットケーブルの製造方法。
図1に示すように、アルミニウム・樹脂複合体1は、金属3と、金属3表面に設けられたアルミナナノポーラス層5上に設けられた樹脂7を有する。金属3は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる。また、アルミナナノポーラス層5は、アルミナナノ粒子を含むアルミナナノポーラス層である。また、樹脂7としては、絶縁性を有する樹脂であり、更に、使用目的により、熱硬化性を有する樹脂が好ましい。アルミニウム・樹脂複合体1は、図2に示すように、主に、洗浄処理101、レーザ表面処理102、樹脂形成103の3つの工程で形成される。以下に各々の工程について説明する。
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属3の表面は、製造工程で生じる偏析、酸化被膜により不均一となったり、加工成形時に使用した圧延油、切削油、プレス油などが付着したり、あるいは搬送時に、錆の発生、指紋の付着等などで汚れる場合がある。このため、金属3の表面の状態によっては適切な洗浄方法を用いて洗浄処理を行うのが好ましい。ただし、次工程となるアルミ表面のレーザ処理によって上記汚染物は除去できる点からレーザ処理前の金属表面の洗浄処理は、省略可能なものと判断される。
洗浄方法には、研削、バフ研磨、ショットブラストなどの物理的方法、例えばアルカリ性の脱脂液中で電解処理を行い、発生する水素や酸素を利用して洗浄を行う電気化学的方法、アルカリ性の溶剤(洗浄剤)による化学的方法、その後、中和処理として酸性液による後処理を行うことが好ましい。更にUV−オゾン処理、プラズマ処理等乾式法を用いることもできる。
本発明で用いるレーザによる金属表面処理は、レーザアブレーション技術をベースとする。レーザアブレーションとはレーザ光を固体に照射した場合、レーザ光の照射強度がある大きさ(しきい値)以上になると、固体表面で、電子、熱的、光化学的、および力学(機械)的エネルギーに変換され、その結果、中性原子、分子、正負のイオン、ラジカル、クラスター、電子、光(光子)が爆発的に放出され、固体の表面がエッチングされるプロセスのことである。具体的にはレーザ光を金属表面に照射すると、固体に吸収され、様々な素過程を経て自由電子やイオンや原子などが放出される。放出された粒子がレーザ光を吸収して高温のプラズマが生成され、固体から多量の粒子が放出される。これら粒子群は、雰囲気が真空であれば自由膨張により飛散するし、ガス雰囲気中であれば衝突・反応を繰り返しながら膨張する。放出粒子の一部は、雰囲気ガスとの相互作用の結果アブレーションされた固体表面に再付着するが、この残滓はデブリ(debris)と呼ばれ、汚染物として固体表面の微細加工で大きな問題になっている(レーザアブレーションとその応用、電気学会レーザアブレーションとその産業応用調査専門委員会編、コロナ社、(1999)より引用)。
本発明では、従来レーザアブレーションの課題であった再付着粒子を使い、アルミニウム表面上にナノ粒子を含むナノポーラス層を形成させ、金属・樹脂間の密着性を著しく改善させることを特徴とする。
レーザ処理は、ナノ粒子を再付着しやすくするため、雰囲気の圧力を高めることが好ましく、そのため、大気中、又はアルゴン等密度の高いガス雰囲気中で行うことが好ましい。
ナノ粒子の再付着によって金属表面上に形成されるナノポーラス層の厚さとしては、特に限定するものではないが、厚さが5nmから1000nmのナノポーラス層が挙げられ、更に厚さが10nmから500nmであることが好ましい。5nm以下の厚さでは本発明の効果を期待することができなく、1000nm以上の厚さのナノポーラス層を形成するには長時間のレーザ表面処理が必要とされ、連続処理工程が困難となるうえに、ナノポーラス層が1000nm以上に厚くなっても、アンカー効果が上昇することはないと考えられる。また、再付着するアルミナのナノ粒子の平均粒径は5〜100nm程度であり、10〜50nm程度であることが好ましい。ナノポーラス層は、平均粒径5〜100nmのアルミナナノ粒子で主に構成されるが、ナノポーラス層には平均粒径5〜100nmのアルミナナノ粒子以外の粒子が、不純物や副生成物などとして混入する可能性もある。ナノポーラス層を構成する粒子のうち粒子数で50%以上、好ましくは80%以上の粒子が、平均粒径5〜100nmのアルミナナノ粒子であることが好ましい。また、粒子は密に積層するわけではなく、空隙を持って付着するため、ナノポーラス層には3次元的に連通する孔が形成される。
レーザ光を固体に照射した場合、粒子が放出されるためには、レーザ光の照射強度をある大きさ(しきい値)以上にする必要があり、そのパラメータとしてレーザ光強度(単位面積および単位時間当たりのエネルギー量)の制御が必要となり、例えば、109W/cm2以上が好ましい。更にレーザ光強度を高めると、レーザ表面加工速度が速くなり、連続工程に好ましい点から、1010W/cm2以上が好ましく、更に1011W/cm2以上がより好ましい。
ただし、レーザ光強度が高すぎると、レーザアブレーションが過度に進行することでマクロスケールの金属表面凹凸が深くなり、特許文献4と同様に、金属表面に深さ10μm〜50μmの凹凸が形成されることとなる。凹凸が深くなると、液状の熱硬化性樹脂が金属表面にコートされた際に凹凸内の空気が十分抜けずに、その結果、焼付けの際に多数の気泡が発生する原因となる。
レーザ加工によって形成される金属表面の凹凸レベルをマクロ的に確認する方法として、例えば、レーザ顕微鏡による解析方法が挙げられる。又、ミクロレベルの詳細観察方法としては、Arイオンミリングで断面加工を行い、金属・樹脂界面を走査型電子顕微鏡(SEM)によって確認することができる。
なお、十点平均粗さRzは、基準長さの粗さ曲線において、最も高い山頂から5番目までの山高さの平均値と、最も深い谷底から5番目までの谷深さの平均値との和を求めるため、ナノポーラス層を構成するナノ粒子が形成するナノレベルの微小な凹凸を反映せず、マクロな凹凸を反映する。そのため、ナノポーラス層の有無によって、十点平均粗さRzは特に変化せず、ナノポーラス層の形成後であっても十点平均粗さRzにより、表面のマクロな凹凸を評価することができる。
本発明において、樹脂材料に使用する熱硬化性樹脂には、耐熱性を有し、更に、使用目的により、絶縁性を有する樹脂が好ましい。例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステル、ホルマール、ポリウレタン、ポリエステル、ポリビニルホルマール、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリヒダントインを使用でき、好ましくは耐熱性において優れる、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステルなどのポリイミド系樹脂を使用できる。また、これらは1種を単独で使用してもよく、また、2種以上を混合して使用するようにしてもよい。
更にUV硬化性樹脂等液状の樹脂に対しても同様な密着性の改善が期待できる。
本発明の実施形態にかかるアルミニウム・樹脂複合体は、アルミニウム絶縁電線として用いることができる。図3に示すように、アルミニウム絶縁電線11は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属線13と、金属線13の表面に形成されたナノポーラス層15を介して、金属線13を被覆する絶縁被膜17とを有する。すなわち、アルミニウム絶縁電線11は、金属線13と絶縁被膜17の界面に、本発明の実施形態にかかるアルミニウム・樹脂複合体1と同様の金属3/アルミナナノポーラス層5/樹脂7の積層構造を有する。金属線13が金属3に、ナノポーラス層15がナノポーラス層5に、絶縁被膜17が樹脂7にそれぞれ対応し、同様の材料を使用することができる。このようなアルミニウム絶縁電線11を巻いてコイルを作成することができる。アルミニウム絶縁電線11は、金属線13と絶縁被膜17との密着性が良好であるため、強い張力で、高い回転数で巻くことができ、巻きが高密度なコイルを高い生産性で得ることができる。
本発明の実施形態にかかるフラットケーブル21は、図4に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる導体23を樹脂層27および樹脂層29で、両側から挟み込む構成となっている。図4中のA部分の拡大図が図5である。図5に示す通り、フラットケーブル21は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる導体23と、導体23の表面に形成された、ナノポーラス層25を介して、導体23を両側から挟む樹脂層27、29と、を有する。すなわち、フラットケーブル21は、導体23と樹脂層27又は樹脂層29の界面に本発明の実施形態にかかるアルミニウム・樹脂複合体1と同様の金属3/アルミナナノポーラス層5/樹脂7の積層構造を有する。導体23が金属3に、ナノポーラス層25がナノポーラス層5に、樹脂層27、29が樹脂7にそれぞれ対応し、同様の材料を使用することができる。このようなフラットケーブル21は、電気機械の配線などに使用することができる。フラットケーブル21は、導体23と樹脂層27、29との密着性が良好であるため、折り曲げを繰り返しても導体23と樹脂層27、29との間に剥離が生じない。
金属・樹脂との密着性向上のメカニズムは、レーザアブレーションの際に噴出されたナノ粒子が、表面に再付着し、その際にこれらナノ粒子を含むナノポーラス層が表面に形成される。その上に、液状の熱硬化性樹脂をコートするとナノポーラス層のナノ空間に樹脂が隙間なく入り込み、その後、樹脂の焼付けを行うと、ナノスケールの無数のアンカーが金属と樹脂界面に形成されることより金属3と樹脂7との密着力が著しく向上するものと考えられる。
1.アルミニウム表面処理
アルミニウム合金(A1N30H、厚さ=100μm)の試料(大きさ=3mm×120mm)を用い、以下の順で表面処理を行った。
1−1.脱脂・酸洗浄処理
(1)脱脂処理:水酸化ナトリウム溶液(10g/L、常温、400A/m2)中、30秒間浸漬
(2)水洗:イオン交換水(抵抗率=18.0Ω・cm、Millipore Corp.)へ30秒間浸漬
(3)中和(酸)処理:硝酸(100g/L)中、30秒間浸漬
(4)水洗:イオン交換水へ30秒間浸漬
浜松ホトニクス社の固体レーザ(YAGパルスレーザ、中心波長=515nm、パルス幅=0.9psec)を使い、パルスエネルギー:90μJ、繰返周波数:40kHz、ビームスポット:66μm、レーザ光強度:2.9×1012 W/cm2、レーザ走査速度:長手(X)方向2mm/sec、長手に対する垂直(Y)方向1600mm/sec、加工速度:3200mm2/secの条件下で大気中レーザ処理を行った。
その結果、図7(a)に示すように微細凹凸の形成が電子顕微鏡により確認でき、図7(b)の拡大写真では、約10nmのアルミナ粒子からなる、3次元的に連通する孔を有するナノポーラス層が表面に形成されていることが分かった。
上記処理のアルミニウム表面上にコーターを用い、均一にポリアミドイミド(PAI、HI406SA)樹脂をコートした(樹脂厚さ=約30μm)。その後、150℃、200℃、250℃の各条件下で20分ずつ熱処理を行い、金属表面上樹脂の焼付けを実施した。その結果、図8の樹脂コートレーザ処理アルミニウム試料(アルミニウム・樹脂複合体)の断面写真に示した通り、約10nmのナノ粒子からなるナノポーラス層に樹脂が隙間なく入り込んでいる様子が確認できた。
レーザ処理条件を、ビームスポット:150μm、レーザ光強度:5.7×1011 W/cm2に変更した以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
レーザ処理条件を、ビームスポット:300μm、レーザ光強度:1.4×1011 W/cm2に変更した以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
レーザ処理条件を、レーザ走査速度:長手に対する垂直(Y)方向10000mm/sec、加工速度:20000mm2/secに変更した以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
レーザ処理条件を、レーザ走査速度:長手(X)方向10mm/sec、長手に対する垂直(Y)方向10000mm/sec、加工速度:100000mm2/secに変更した以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
レーザ処理条件を、ビームスポット:300μm、レーザ光強度:1.4×1011 W/cm2、レーザ走査速度:長手に対する垂直(Y)方向10000mm/sec、加工速度:20000mm2/secに変更した以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
レーザ処理前の洗浄処理方法として、UV−オゾン装置(セン特殊光源(株)、PL17−110、紫外線ランプ=189.9nm、253.7nm)を用い、3分間処理を行う条件以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
実施例1と同様に脱脂・酸洗浄処理のみ行い、レーザ処理を行わずに試験片を作製した。
実施例7と同様にUV−オゾン装置による洗浄処理のみ行い、レーザ処理を行わずに試験片を作製した。
パルスエネルギー:150μJ、繰返周波数:20kHz、レーザ光強度:4.9×1012 W/cm2、レーザ走査速度:長手(X)方向1mm/sec、長手に対する垂直(Y)方向3200mm/sec、加工速度:3200mm2/secの条件以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
パルスエネルギー:150μJ、繰返周波数:20kHz、ビームスポット:145μm、レーザ光強度:1.0×1012 W/cm2、レーザ走査速度:長手(X)方向0.125mm/sec、加工速度:200mm2/secの条件以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
パルスエネルギー:150μJ、繰返周波数:20kHz、ビームスポット:460μm、レーザ光強度:1.0×1011 W/cm2、レーザ走査速度:長手(X)方向0.042mm/sec、加工速度:67mm2/secの条件以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
パルスエネルギー:150μJ、繰返周波数:20kHz、ビームスポット:125μm、レーザ光強度:1.4×1012 W/cm2、レーザ走査速度:長手(X)方向0.025mm/sec、加工速度:40mm2/secの条件以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
パルスエネルギー:150μJ、繰返周波数:20kHz、ビームスポット:250μm、レーザ光強度:3.4×1011 W/cm2、レーザ走査速度:長手(X)方向0.025mm/sec、加工速度:40mm2/secの条件以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
コヒレント社の固体レーザ(YAGパルスレーザ、中心波長=532nm、パルス幅=約600psec)を使い、パルスエネルギー:23.2μJ、繰返周波数:50kHz、ビームスポット:20μm、レーザ光強度:1.2×1010 W/cm2、加工速度:20mm2/sec、図6のように長手(X)と長手に対する垂直(Y)方向に30μmのピッチでビームスポット31を配置し、金属表面の一部レーザ加工を行う条件以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
コヒレント社の固体レーザ(YAGパルスレーザ、中心波長=532nm、パルス幅=約600psec)を使い、パルスエネルギー:11.4μJ、繰返周波数:50kHz、ビームスポット:18μm、レーザ光強度:7.5×109 W/cm2、加工速度:20mm2/sec、図6のように長手(X)と長手に対する垂直(Y)方向に30μmのピッチでビームスポット31を配置し、金属表面の一部レーザ加工を行う条件以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
コヒレント社の固体レーザ(YAGパルスレーザ、中心波長=532nm、パルス幅=約600psec)を使い、パルスエネルギー:5.8μJ、繰返周波数:50kHz、ビームスポット:15μm、レーザ光強度:5.5×109 W/cm2、加工速度:20mm2/sec、図6のように長手(X)と長手に対する垂直(Y)方向に30μmのピッチでビームスポット31を配置し、金属表面の一部レーザ加工を行う条件以外は実施例1と同様に試験片を作製した。
金属・樹脂の密着力評価のため、90°ピール試験を行った。樹脂側をピール速度10mm/min(島津オートクラブ、AG−10kNI)で引っ張り、そのときの応力を測ることで密着力を評価した。試験結果を表に示した。
一方、レーザ強度を高くした実施例8では実施例1に比べて凹凸(Rz)が大きくなった。また、レーザの加工速度を遅くした実施例9〜11と比較例3では、レーザ強度や加工速度に応じて凹凸が大きくなった。比較例3のように凹凸が過度に大きい場合には、焼付けの後、樹脂の気泡発生が確認できた。
3………金属
5………ナノポーラス層
7………樹脂
11………アルミニウム絶縁電線
13………金属線
15………ナノポーラス層
17………絶縁被膜
21………フラットケーブル
23………導体
25………ナノポーラス層
27………樹脂層
29………樹脂層
31………ビームスポット
Claims (9)
- アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属と、前記金属の表面に形成されたアルミナナノポーラス層を介して前記金属と接合する樹脂と、を有することを特徴とするアルミニウム・樹脂複合体。
- 前記アルミナナノポーラス層は、平均粒径5〜100nmのアルミナナノ粒子を含み、3次元的に連通する孔を有することを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム・樹脂複合体。
- 前記樹脂が、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステル、ホルマール、ポリウレタン、ポリエステル、ポリビニルホルマール、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリヒダントインからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項1または2に記載のアルミニウム・樹脂複合体。
- 前記金属と前記樹脂との界面において、前記金属の十点平均粗さRzが20μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のアルミニウム・樹脂複合体。
- アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属線と、前記金属線の表面に形成されたアルミナナノポーラス層を介して前記金属線を被覆する絶縁被膜と、を有することを特徴とするアルミニウム絶縁電線。
- アルミニウム又はアルミニウム合金からなる導体と、前記導体の表面に形成されたアルミナナノポーラス層を介して前記導体を両側から挟む樹脂層と、を有することを特徴とするフラットケーブル。
- アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属の表面に、レーザを照射してアルミナナノポーラス層を形成する工程と、
前記アルミナナノポーラス層の上に樹脂を形成する工程と、
を有することを特徴とするアルミニウム・樹脂複合体の製造方法。 - アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属線の表面に、レーザを照射してアルミナナノポーラス層を形成する工程と、
前記アルミナナノポーラス層を介して前記金属線の上に絶縁被膜を形成する工程と、
を有することを特徴とするアルミニウム絶縁電線の製造方法。 - アルミニウム又はアルミニウム合金からなる導体の表面に、レーザを照射してアルミナナノポーラス層を形成する工程と、
前記アルミナナノポーラス層を介して前記導体に樹脂層を形成する工程と、
を有することを特徴とするフラットケーブルの製造方法。
Priority Applications (5)
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