JP2015203155A - ナノカーボン強化アルミニウム複合材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ナノカーボン強化アルミニウム複合材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法は、セラミックコートされたナノカーボンの周囲を金属粉末が取り囲んでなる複合粉末をアルミニウム溶湯に添加して鋳造することを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法は、セラミックコートされたナノカーボンの周囲を金属粉末が取り囲んでなる複合粉末をアルミニウム溶湯に添加して鋳造することを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、ナノカーボン強化アルミニウム複合材およびその製造方法に係り、さらに詳しくは、ナノカーボンと液状アルミニウムとの反応を抑制しつつもアルミニウム内のナノカーボンの分散性を改善したナノカーボン強化アルミニウム複合材、およびその製造方法に関する。
炭素ナノチューブは、炭素からなる直径数〜数十ｎｍのチューブ状ナノ素材である。
炭素ナノチューブは、高い強度および高い弾性係数などの優れた機械的特性を有し、かつ低い密度および高いアスペクト比などの優れた特性を有することがさらに明らかになるにつれて、炭素ナノチューブを高分子および金属母材（ｍａｔｒｉｘ）複合素材の強化材などの構造用素子分野に活用しようとする研究が行われている。
炭素ナノチューブ／金属ナノ複合素材の製造の際に、主に炭素ナノチューブと金属粉末とを混合して炭素ナノチューブ／金属複合粉末を製造し、これを焼結する粉末冶金工程が主に用いられており、炭素ナノチューブを金属粉末とボールミルなどの工程で混合した後に焼結する方法で行われている。
ところが、炭素ナノチューブは、炭素ナノチューブの間に作用するファン・デル・ワールス力（Ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｆｏｒｃｅ）によって強く凝集しているから、金属母材材料に均一に分散させることが非常に難しいという特性があり、炭素ナノチューブと金属母材との間の密度差も炭素ナノチューブの分散を難しくするという問題がある。
また、このように凝集した炭素ナノチューブは、焼結を妨害して密度を減少させ、複合材料の特性を低下させる。また、炭素ナノチューブをチタニウムなどの金属粉末と混合して焼結すると、炭化チタニウム（ＴｉＣ）などの炭化物を形成して本来の炭素ナノチューブによる優れた強化効果を期待することができないという問題点がある。
特に、鋳造工程によって炭素ナノチューブなどのナノカーボン強化アルミニウム複合材を製造する場合、ナノカーボンと液状アルミニウムとが反応して炭化物が生成することを防止しなければならないため、従来のナノカーボンを金属またはセラミックでコートする方法によってそれを解決しようとしたが、金属コーティング層がアルミニウムと反応してナノカーボンが損傷するのはもとより、セラミックコーティング層がアルミニウムに対して濡れ性が低いため分散性が低いという問題点を持っている。
前述した背景技術として説明された事項は、本発明の背景に対する理解増進のためのものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者に既に知られている従来の技術に該当することを認めるものと受け入れられてはならない。
本発明は、かかる従来の問題点を解決するために、その目的は、ナノカーボンと液状アルミニウムとの反応を抑制しつつアルミニウム内でナノカーボンの分散性を改善したナノカーボン強化アルミニウム複合材、およびその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係るナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法は、セラミックコートされたナノカーボンの周囲を金属粉末が取り囲んでなる複合粉末をアルミニウム溶湯に添加して鋳造することを特徴とする。
本発明のナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法は、ナノカーボンをセラミックでコートする過程と、金属粉末がセラミックコートされたナノカーボンを取り囲むことができるように、前記セラミックコートされたナノカーボンと前記金属粉末とを混合して複合粉末を製造する過程と、前記複合粉末をアルミニウム溶湯に添加する過程と、鋳造過程とを含んでなる。
前記ナノカーボンは、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維およびグラフェンの中から選ばれた少なくとも１種を含み、前記セラミックの母材は、酸化物、炭化物、窒化物およびホウ化物の中から選ばれた少なくとも１種を含むことを特徴とする。
前記金属粉末は、アルミニウム、または前記アルミニウムに合金化する或いは前記アルミニウムと反応して金属間化合物を形成する金属であることを特徴とする。
前記金属粉末がセラミックコートされたナノカーボンを取り囲むことができるように、前記セラミックコートされたナノカーボンと前記金属粉末とをボールミル（ｂａｌｌ ｍｉｌｌｉｎｇ）して混合することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るナノカーボン強化アルミニウム複合材は、セラミックコートされたナノカーボンの周囲を金属粉末が取り囲んでなる複合粉末をアルミニウム溶湯に添加し、鋳造して製造されたことを特徴とする。
本発明は、前述した技術的構成により、ナノカーボンと液状アルミニウムとの反応を抑制し、アルミニウム内のナノカーボンの分散性を改善するという利点がある。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例に係るナノカーボン強化アルミニウム複合材およびその製造方法を説明する。
図１に示すように、本発明のナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法は、セラミックコートされたナノカーボンの周囲を金属粉末が取り囲んでなる複合粉末をアルミニウム溶湯に添加して鋳造することを特徴とする。
すなわち、ナノカーボンにコートされたセラミックが液状アルミニウムとナノカーボンとの反応を防止し、金属粉末が液状アルミニウムの濡れ性（ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ）を向上させてナノカーボンのアルミニウム溶湯内の熱的安定性および分散性を同時に向上させたものである。
ナノカーボンは、電気伝導度および熱伝導度が非常に高く、優れた機械的物性を示すため、既存の金属素材に結合して電気、電子製品、自動車分野などで高性能化、軽量化および小型化の実現に大きく寄与することができる。よって、本発明では、セラミックコートされたナノカーボンの周囲を金属粉末で均一に取り囲んだ後、溶湯に入れて鋳造することにより、上述した利点を実現した。
このような本発明のナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法は、ナノカーボンをセラミックでコートする過程、金属粉末がセラミックコートされたナノカーボンを取り囲むことができるように、セラミックコートされたナノカーボンと金属粉末とを混合して複合粉末を製造する過程、複合粉末をアルミニウム溶湯に添加する過程、および鋳造過程を含んでなる。
ナノカーボンは炭素ナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ、ＣＮＴ）、炭素ナノ繊維（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｆｉｂｅｒ、ＣＮＦ）、およびグラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）の中から選ばれた少なくとも１種を含み、セラミック母材は酸化物、炭化物、窒化物およびホウ化物の中から選ばれた少なくとも１種を含むので、例えば、銅やニッケルなどの金属粒子をコートした後、酸素雰囲気中で熱処理することにより、ナノカーボンの周囲を金属粉末でコートすることができる。
銅、ニッケル以外に、金属粉末として金、銀、白金、チタニウム、亜鉛、マンガン、ガリウムなどを使用することができ、セラミックコーティング層の厚さは１０ｎｍ〜１μｍの間で調節することができる。また、セラミックコーティングは、無電解メッキ法、スパッタリング法、蒸着法または化学気相蒸着法などの多様な方法を用いて行うことができる。
ナノカーボンの周囲にセラミックコートされる母材は、ナノカーボンの周囲に均一に分布できるようにコートされることが好ましく、このように均一にセラミックコートされたナノカーボンの周囲を金属粉末で均一に取り囲んで複合粉末を製造する。
セラミックコートされたナノカーボンの周辺を金属粉末が取り囲んだ形態の複合粉末は、アルミニウム溶湯に混合された後、鋳造過程を介して最終複合材料に製造される。
金属粉末は、アルミニウムに合金化する、或いはアルミニウムと反応して金属間化合物を形成することが可能な金属であることが好ましく、セラミックコートされたナノカーボンと金属粉末とはボールミル（ｂａｌｌ ｍｉｌｌｉｎｇ）して混合することが好ましい。
以下、本発明のナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法の一実施例を図面に基づいて説明する。
［実施例１］
本発明のナノカーボン強化アルミニウム複合材を製造するために、ゾルゲル法を用いて炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）をＴｉＯ２でコートした（図２参照）。
本発明のナノカーボン強化アルミニウム複合材を製造するために、ゾルゲル法を用いて炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）をＴｉＯ２でコートした（図２参照）。
ＴｉＯ２でコートされた炭素ナノチューブ４０ｇとアルミニウム粉末１６０ｇを次の条件でボールミルして混合することにより、炭素ナノチューブがアルミニウム粉末内に埋め込まれている形状の複合粉末を製造した（図５参照）。
ボールの原料−ＺｒＯ２
ボールのサイズ−５ｍｍ
ボール：粉末の重量比−１０：１
ミリング速度−６００ｒｐｍ
ミリング時間−２時間
製造された混合粉末２００ｇを７５０℃の温度で８００ｇのアルミニウム溶湯に投入し、機械的に撹拌して鋳造工程を用いてナノカーボン強化アルミニウム複合材を製造した。実施例１に係る複合材では、ナノカーボンが凝集した様子を見付けることができなかった（図３参照）。
ボールのサイズ−５ｍｍ
ボール：粉末の重量比−１０：１
ミリング速度−６００ｒｐｍ
ミリング時間−２時間
製造された混合粉末２００ｇを７５０℃の温度で８００ｇのアルミニウム溶湯に投入し、機械的に撹拌して鋳造工程を用いてナノカーボン強化アルミニウム複合材を製造した。実施例１に係る複合材では、ナノカーボンが凝集した様子を見付けることができなかった（図３参照）。
［実施例２］
グラフェンをゾルゲル法を用いてＡｌ２Ｏ３でコートした後、実施例１と同様の方法で製造した。
グラフェンをゾルゲル法を用いてＡｌ２Ｏ３でコートした後、実施例１と同様の方法で製造した。
図６に示すように、ナノカーボンが凝集した様子を見付けることができなかった。
［比較例１］
ＴｉＯ２でコートされた炭素ナノチューブを実施例１と同様の条件でアルミニウム溶湯に投入して複合材を製造した。
ＴｉＯ２でコートされた炭素ナノチューブを実施例１と同様の条件でアルミニウム溶湯に投入して複合材を製造した。
図４に示すように、ＴｉＯ２でコートされた炭素ナノチューブとアルミニウムとの濡れ性が低いため、機械的撹拌では炭素ナノチューブがアルミニウム溶湯に分散せず、凝集した様子が観察された。
上述したように、本発明のナノカーボン強化アルミニウム複合材およびその製造方法によれば、セラミックコートされたナノカーボンを混合して複合粉末を製造することにより、ナノカーボンと液状アルミニウムとの反応を抑制しつつアルミニウム内のナノカーボンの分散性を改善することができる。
本発明を特定の実施例に関連して図示および説明したが、特許請求の範囲によって提供される本発明の技術的思想を逸脱しない範疇内で、本発明に様々な改良および変化を加え得るのは、当該分野における通常の知識を有する者にとって自明であろう。
Claims (6)
- セラミックコートされたナノカーボンの周囲を金属粉末が取り囲んでなる複合粉末をアルミニウム溶湯に添加して鋳造することを特徴とする、ナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法。
- ナノカーボンをセラミックでコートする過程と、
金属粉末がセラミックコートされたナノカーボンを取り囲むことができるように、前記セラミックコートされたナノカーボンと前記金属粉末とを混合して複合粉末を製造する過程と、
前記複合粉末をアルミニウム溶湯に添加する過程と、
鋳造過程と、を含んでなることを特徴とする、請求項１に記載のナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法。 - 前記ナノカーボンは、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維およびグラフェンの中から選ばれた少なくとも１種を含み、
前記セラミックの母材は、酸化物、炭化物、窒化物およびホウ化物の中から選ばれた少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項２に記載のナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法。 - 前記金属粉末は、アルミニウム、または前記アルミニウムに合金化する或いは前記アルミニウムと反応して金属間化合物を形成する金属であることを特徴とする、請求項３に記載のナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法。
- 前記金属粉末がセラミックコートされたナノカーボンを取り囲むことができるように、前記セラミックコートされたナノカーボンと前記金属粉末とをボールミル（ｂａｌｌ ｍｉｌｌｉｎｇ）して混合することを特徴とする、請求項１に記載のナノカーボン強化アルミニウム複合材の製造方法。
- セラミックコートされたナノカーボンの周囲を金属粉末が取り囲んでなる複合粉末をアルミニウム溶湯に添加し、鋳造して製造されたことを特徴とする、ナノカーボン強化アルミニウム複合材。
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