JP2017082311A - アルミニウム基複合材料及びその製造方法 - Google Patents

アルミニウム基複合材料及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】導電率を維持しつつも強度及び伸びを向上させることが可能なアルミニウム基複合材料を提供する。
【解決手段】アルミニウム基複合材料は、純アルミニウムからなる複数の粗大結晶粒（３）と、アルミニウム母相（１）と、アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体（２）とを有する複数の微細結晶粒（４）とを有する。そして、微細結晶粒は粗大結晶粒の間に存在し、微細結晶粒の結晶粒径は粗大結晶粒の結晶粒径よりも小さい。
【選択図】図４

Description

本発明は、アルミニウム基複合材料及びその製造方法に関する。詳細には本発明は、導電率を維持しつつも強度、伸びを向上させたアルミニウム基複合材料及びその製造方法に関する。
自動車用ワイヤーハーネス等に用いられる電線の導体材料としては主として銅が使用されてきたが、導体の軽量化という要請からアルミニウムも注目されている。銅は、材料としての引張強さ及び導電率の点で優れているが、重量が大きいという問題があるのに対し、アルミニウムは軽量ではあるが、強度不足という課題が残されている。そのため、アルミニウムと他の材料を複合化することにより、導電率及び強度を向上させる方法が検討されている。
従来、アルミニウム合金マトリックス中に、金属又はセラミックスで被覆されているカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含有させることにより、強度と電気伝導度を向上させたアルミニウム合金基複合材料が提案されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、アルミニウム材料中にＣＮＴが分散してなる線材であって、ＣＮＴを含む隔壁部と、隔壁部に覆われ、アルミニウム材料と不可避不純物からなる隔壁内部とを有するセルレーション構造を備える線材が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、アルミニウム又はアルミニウム基合金の結晶粒と該結晶粒の粒界に存在するナノ粒子とを有する内層と、該内層を被覆し、銅又は銅基合金の結晶粒からなる外層とを有する複合導体が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特許第４４０９８７２号明細書 特開２０１１−１７１２９１号公報 国際公開第２０１３／０８５００３号
しかしながら、特許文献１では、カーボンナノチューブと金属母相とを反応させていない。そのため、カーボンナノチューブの凝集物の内部に存在する気泡が欠陥となり、伸びや導電率を低下させる上、カーボンナノチューブと金属母相との結合力が不十分であるため、強度も低下するという問題があった。また、特許文献２のような、セルレーション構造を有する程度のカーボンナノチューブの分散度では強度の向上が不十分であった。さらに特許文献３では、内層のアルミニウムと外層の銅が接触しているため、長期間の使用によりガルバニック腐食が発生し、強度、伸び及び導電率が低下する恐れがあった。
また、アルミニウムの高強度化の手法として合金化が広く知られている。しかし、アルミニウムの合金化によって強度を向上させる場合には、固溶元素によって導電率及び伸びが低下する恐れがあった。
本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして本発明の目的は、導電率を維持しつつも、強度及び伸びの少なくとも一方を向上させることが可能なアルミニウム基複合材料及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第１の態様に係るアルミニウム基複合材料は、純アルミニウムからなる複数の粗大結晶粒を有する。さらに当該複合材料は、アルミニウム母相と、当該アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する複数の微細結晶粒を有する。そして、微細結晶粒は粗大結晶粒の間に存在し、微細結晶粒の結晶粒径は粗大結晶粒の結晶粒径よりも小さい。
本発明の第２の態様に係るアルミニウム基複合材料は、アルミニウム母相と、当該アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する複数の粗大結晶粒を有する。さらに当該複合材料は、アルミニウム母相と、当該アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する複数の微細結晶粒を有する。そして、微細結晶粒におけるアルミニウム母相を構成するアルミニウムの純度及び添加物の含有量の少なくとも一方が、粗大結晶粒と異なっている。さらに、微細結晶粒は粗大結晶粒の間に存在し、微細結晶粒の結晶粒径は粗大結晶粒の結晶粒径よりも小さい。
本発明の第３の態様に係るアルミニウム基複合材料は、第１又は第２の態様の複合材料に関し、添加物は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンブラック、炭化ホウ素及び窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一つである。
本発明の第４の態様に係るアルミニウム基複合材料は、第１乃至第３のいずれかの態様の複合材料に関し、分散体は、長径と短径との比（長径／短径）が１〜３０であり、長径が０．０１ｎｍ〜５００ｎｍであり、短径が０．０１ｎｍ〜２００ｎｍである。
本発明の第５の態様に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、純度が９９質量％以上のアルミニウム粉末と、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンブラック、炭化ホウ素及び窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一つである添加物とを混合することにより、微細結晶粒前駆体を得る工程を有する。さらに当該製造方法は、微細結晶粒前駆体と、純アルミニウムからなる粗大結晶粒前駆体とを混合して圧粉成形することにより、圧粉体を得る工程と、圧粉体を６００〜６６０℃の温度で加熱する工程とを有する。
本発明のアルミニウム基複合材料において、微細結晶粒では分散体がアルミニウム母相の内部に高分散しているため、アルミニウムの結晶粒を微細化し、アルミニウム基複合材料の強度を高めることが可能となる。また、粗大結晶粒を含有しているため、得られるアルミニウム基複合材料の伸び及び導電率の少なくとも一方を高めることができる。
（ａ）は、第一実施形態に係るアルミニウム基複合材料において、炭素の含有量と引張強さとの関係を示すグラフである。（ｂ）は、第一実施形態に係るアルミニウム基複合材料において、炭素の含有量と導電率との関係を示すグラフである。 （ａ）は、第一実施形態に係るアルミニウム基複合材料の製造方法を示すフローチャートである。（ｂ）は、第二実施形態に係るアルミニウム基複合材料の製造方法を示すフローチャートである。 （ａ）は、アルミニウムの導電率とアルミニウム内に含まれる酸素量との関係を示すグラフである。（ｂ）は、アルミニウム内に含まれる酸素量とアルミニウム粉末の表面積との関係を示すグラフである。 実施例１の複合材料（伸線）の断面を示す走査型電子顕微鏡写真である。 実施例１の複合材料（伸線）の断面を、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）で調べた結果を示す写真である。
以下、図面を用いて本発明の実施形態に係るアルミニウム基複合材料及びその製造方法について詳細に説明する。
［第一実施形態］
＜アルミニウム基複合材料＞
第一実施形態に係るアルミニウム基複合材料は、純アルミニウムからなる複数の粗大結晶粒と、粗大結晶粒の間に存在し、結晶粒径が粗大結晶粒よりも小さい複数の微細結晶粒とを備える。
粗大結晶粒は、純アルミニウムからなる粒子である。具体的は、粗大結晶粒は、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなることが好ましい。また、粗大結晶粒は、日本工業規格ＪＩＳ Ｈ２１０２（アルミニウム地金）に規定される純アルミニウム地金のうち、１種アルミニウム地金以上の純度のものを用いることが好ましい。具体的には、純度が９９．７質量％の１種アルミニウム地金、純度が９９．８５質量％以上の特２種アルミニウム地金、および純度が９９．９０質量％以上の特１種アルミニウム地金が挙げられる。つまり、本実施形態の粗大結晶粒は、アルミニウム地金として、特１種、特２種のような高価で高純度のものばかりではなく、価格的にも手頃な純度が９９．７質量％のアルミニウム地金を使用することができる。粗大結晶粒としてこのようなアルミニウムを使用することにより、得られるアルミニウム基複合材料の導電性を高めることが可能となる。
また、粗大結晶粒は、原材料及び製造段階にて混入される不可避不純物が含まれていてもよい。粗大結晶粒に含まれる可能性がある不可避不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ルビジウム（Ｐｂ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、バナジウム（Ｖ）、ガリウム（Ｇａ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）などが挙げられる。これらは本実施形態の効果を阻害せず、さらに本実施形態のアルミニウム基複合材料の特性に格別な影響を与えない範囲で不可避的に含まれるものである。なお、使用するアルミニウム地金に予め含有されている元素も、ここでいう不可避不純物に含まれる。不可避不純物の量としては、アルミニウム基複合材料中の合計で０．０７質量％以下であることが好ましく、０．０５質量％以下であることがより好ましい。
さらに、本実施形態のアルミニウム基複合材料は、粗大結晶粒の間に存在する微細結晶粒を備える。そして、微細結晶粒は、アルミニウム母相と、当該アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する。
ここで、従来の溶融法で作製された純アルミニウム材料は、引張強さが７０ＭＰａ程度しかなかった。さらに、強度を高めるために炭素を添加したとしても、炭素はアルミニウムとの濡れ性が悪いため、アルミニウム中に均一に分散させることは困難であった。これに対し、本実施形態のアルミニウム基複合材料では、上述の粗大結晶粒に加え、アルミニウム母相の内部に分散体を高分散させ、アルミニウムの結晶粒を微細化した微細結晶粒を含有している。このように、アルミニウムの凝固組織を微細で均一にした微細結晶粒を含有することにより、得られるアルミニウム基複合材料の強度やじん性を高めることが可能となる。
微細結晶粒におけるアルミニウム母相としては、粗大結晶粒と同様に、純度が９９質量％以上のアルミニウムを用いることが好ましい。また、アルミニウム母相は、ＪＩＳ Ｈ２１０２に規定される純アルミニウム地金のうち、１種アルミニウム地金以上の純度のものを用いることも好ましい。具体的には、純度が９９．７質量％の１種アルミニウム地金、純度が９９．８５質量％以上の特２種アルミニウム地金、および純度が９９．９０質量％以上の特１種アルミニウム地金が挙げられる。アルミニウム母相としてこのようなアルミニウムを使用することにより、粗大結晶粒と同様に、得られるアルミニウム基複合材料の導電性を高めることが可能となる。
なお、粗大結晶粒と同様に、アルミニウム母相は、原材料及び製造段階にて混入される不可避不純物が含まれていてもよい。不可避不純物の量としては、アルミニウム基複合材料中の合計で０．０７質量％以下であることが好ましく、０．０５質量％以下であることがより好ましい。
本実施形態における微細結晶粒では、アルミニウム母相の内部に、アルミニウムと添加物とが反応することにより形成された分散体が高分散している。つまり、当該分散体は、焼結により、添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと結合することにより形成されたものである。このような添加物としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンブラック、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）及び窒化ホウ素（ＢＮ）からなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。このような添加物はアルミニウムと容易に反応し、アルミニウムの結晶粒を微細化することが可能となる。
アルミニウム母相中に分散している分散体の形状は特に限定されないが、分散体の形状は棒状または針状であることが好ましい。分散体が棒状または針状であることにより、アルミニウム母相の内部での分散性が向上し、微細結晶粒の結晶粒をより微細化することが可能となる。なお、分散体が棒状または針状である場合、長径（Ｌ）と短径（Ｄ）との比は、長径（Ｌ）／短径（Ｄ）＝１〜３０であることが好ましい。また、長径（Ｌ）は０．０１ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましく、短径（Ｄ）は０．０１ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。なお、分散体の長径と短径は、アルミニウム基複合材料の断面を透過型電子顕微鏡で観察することにより測定することができる。
また、本実施形態における微細結晶粒では、アルミニウム母相の内部に、棒状または針状の炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３）からなる分散体が高分散していることがより好ましい。なお、この炭化アルミニウムは、棒状または針状の炭素材料が、焼結により、アルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成されたものである。このような炭素材料としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、及びカーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種を使用することができ、この中でもカーボンナノチューブが特に好ましい。
カーボンナノチューブとしては、公知のものを用いることができる。カーボンナノチューブの短径は例えば０．４ｎｍ〜５０ｎｍであり、カーボンナノチューブの平均長径は例えば１μｍ以上である。また、カーボンナノチューブは、予め酸で洗浄することにより白金等の金属触媒やアモルファスカーボンを除去したり、予め高温処理することにより黒鉛化したものであってもよい。カーボンナノチューブにこのような前処理を行うと、カーボンナノチューブを高純度化したり高結晶化したりすることができる。
アルミニウム母相中に分散している棒状または針状の炭化アルミニウムは、上述の炭素材料とアルミニウム母相におけるアルミニウムとの反応により形成されている。ここで、カーボンナノチューブ等の炭素材料は、一部または全てがアルミニウム母相中のアルミニウムと反応している。つまり、本実施形態では、添加物である炭素材料の全てがアルミニウム母相中のアルミニウムと反応し、炭化アルミニウムに組成変化していることが最も好ましい。しかし、例えば、カーボンナノチューブが球状に凝集した部分がアルミニウム母相中に残存している場合、その凝集の内部のカーボンナノチューブはアルミニウム母相と接触していない。そのため、アルミニウム母相中にカーボンナノチューブのまま残存してしまう可能性がある。ただ、アルミニウム基複合材料の強度を向上させる観点から、添加物である炭素材料の９５質量％以上がアルミニウム母相中のアルミニウムと反応していることが好ましく、炭素材料の９８質量％以上が反応していることがより好ましい。そして、添加物である炭素材料の全てがアルミニウム母相中のアルミニウムと反応していることが特に好ましい。
また、微細結晶粒のアルミニウム母相中において、隣接する分散体の間隔は１μｍ以下であることが好ましい。分散体の間隔が１μｍ以下であることにより、アルミニウム母相の内部における分散体の分散性を高め、アルミニウムの結晶粒を微細にすることが可能となる。なお、隣接する分散体の間隔も、アルミニウム基複合材料の断面を透過型電子顕微鏡で観察することにより測定することができる。
本実施形態のアルミニウム基複合材料において、分散体の含有量は、炭素量換算で０．１〜２．０質量％であることが好ましい。つまり、粗大結晶粒と微細結晶粒とを含有するアルミニウム基複合材料において、微細結晶粒中の分散体の含有量は、炭素量換算で０．１〜２．０質量％であることが好ましい。分散体の含有量をこの範囲にすることにより、アルミニウム基複合材料を電線に使用した場合、所望の引張強さ及び導電率を得ることが可能となる。ここで、図１（ａ）は、本実施形態におけるアルミニウム基複合材料中に含有する炭素量とアルミニウム基複合材料の引張強さとの関係を示す。また、図１（ｂ）は、アルミニウム基複合材料中に含有する炭素量とアルミニウム基複合材料の導電率との関係を示す。図１に示すように、分散体と引張強さ及び導電率との間には、一次関数的な相関関係がある。つまり、アルミニウム基複合材料中の炭素量が増加すれば引張強さは上昇するが、導電率は低下する。そして、アルミニウム基複合材料を電線材料として使用する場合には、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上にすることが好ましい。そのため、図１（ｂ）より、アルミニウム基複合材料の分散体の含有量は、炭素量換算で２．０質量％以下とすることが好ましい。
アルミニウム基複合材料において、粗大結晶粒の結晶粒径は、微細結晶粒の結晶粒径よりも大きい必要がある。具体的には、粗大結晶粒の結晶粒径は、１μｍ〜５μｍであることが好ましい。粗大結晶粒の結晶粒径がこの範囲内であることにより、得られるアルミニウム基複合材料の導電率及び伸び率の低下を抑制することが可能となる。なお、粗大結晶粒の結晶粒径は線分法により求めることができる。
また、アルミニウム基複合材料において、微細結晶粒の結晶粒径は、粗大結晶粒の結晶粒径よりも小さい必要がある。具体的には、微細結晶粒の結晶粒径は、１μｍ未満であることが好ましい。微細結晶粒の結晶粒径が１μｍ未満まで微細化されていることにより、アルミニウム基複合材料の強度やじん性を高めることが可能となる。なお、微細結晶粒の結晶粒径も線分法により求めることができる。
アルミニウム基複合材料において、粗大結晶粒と微細結晶粒との割合は特に限定されないが、例えば質量比で１：２〜１：１（粗大結晶粒：微細結晶粒）とすることが好ましい。粗大結晶粒と微細結晶粒との割合がこの範囲内であることにより、粗大結晶粒による導電率及び伸び率の低下の抑制と微細結晶粒による強度及びじん性の向上とを両立することが可能となる。
本実施形態において、微細結晶粒は、隣接する粗大結晶粒の間に存在していれば、その態様は限定されない。つまり、微細結晶粒は、粗大結晶粒の外周部に対して、凝集するように付着していてもよい。さらに微細結晶粒は、粗大結晶粒の表面を覆うように付着していてもよい。
ここで、微細結晶粒のみからなるアルミニウム基複合材料は、純アルミニウムに比べて引張強度を大きく向上させることができる反面、伸び率及び導電率が低下する問題がある。つまり、アルミニウム母相に分散体が分散しただけのアルミニウム基複合材料は、引張強度、伸び率及び導電率を高いレベルでバランスさせることが難しいという問題がある。
これに対し、本実施形態のアルミニウム基複合材料は、ナノ粒子である分散体が分散した微細結晶粒の領域と、純アルミニウムによる粗大結晶粒の領域が共存したバイモーダル組織を有している。そのため、アルミニウム母相に分散体が分散しただけのアルミニウム基複合材料と比べて導電率及び伸び率を向上させることができる。つまり、分散体が分散した微細結晶粒の領域は導電率が低いが、純アルミニウムによる粗大結晶粒の領域は不純物の含有量が少ないため導電率が高い。そのため、複合材料全体の導電率は、粗大結晶粒により高い水準とすることが可能となる。また、アルミニウム母相に分散体が分散しただけのアルミニウム基複合材料は伸び率が低い。これに対し、微細結晶粒の領域に加えて、純アルミニウムによる粗大結晶粒の領域を共存させることにより、粗大結晶粒の高い伸び率によって、複合材料全体の伸び率を高めることが可能となる。
本実施形態におけるアルミニウム基複合材料は、引張強さが２００ＭＰａ以上であり、かつ、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上であることが好ましい。このようなアルミニウム基複合材料は、特に導体の断面積が０．３５ｍｍ２の電線に好適に用いることができる。また、本実施形態におけるアルミニウム基複合材料は、引張強さが１４０ＭＰａ以上であり、かつ、導電率が５３％ＩＡＣＳ以上であることが好ましい。このようなアルミニウム基複合材料は、特に導体の断面積が０．５ｍｍ２の電線に好適に用いることができる。さらに、本実施形態におけるアルミニウム基複合材料は、引張強さが９４ＭＰａ以上であり、かつ、導電率が５８％ＩＡＣＳ以上であることが好ましい。このようなアルミニウム基複合材料は、特に導体の断面積が０．７５ｍｍ２の電線に好適に用いることができる。なお、本明細書における引張強さの値は、ＪＩＳ Ｚ２２４１（金属材料引張試験方法）に準拠して測定することができる。また、本明細書における導電率の値は、ＪＩＳ Ｈ０５０５（非鉄金属材料の体積抵抗率及び導電率測定方法）に準拠して測定することができる。
本実施形態におけるアルミニウム基複合材料は、上述のように高い導電性と強度を備えているため、伸線加工することにより、電線の導体として使用することができる。そのため、本実施形態に係る電線は、上記アルミニウム基複合材料からなる素線を含む導体（例えば、撚線）と、その導体の外周に設けられる被覆層とを含むものであればよい。そのため、その他の具体的な構成及び形状、並びに製造方法は何ら限定されることはない。
導体を構成する素線の形状等についても特に限定されない。例えば、素線が丸線であって自動車用の電線に使用する場合は、短径（すなわち最終線径）は０．０７ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であることが好ましく、０．１４ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であることがより好ましい。
被覆層に用いられる樹脂の種類は、架橋ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂や、塩化ビニルなど公知の絶縁樹脂を任意に使用でき、その被覆厚は適宜定められる。この電線は、電気又は電子部品、機械部品、車両用部品、建材などの様々な用途に使用することができる。なかでも自動車用電線として好ましく使用できる。
なお、本実施形態におけるアルミニウム基複合材料を導体として使用した電線は、他の金属材料からなる導体を使用した電線と冷間で固相接合してもよい。また、電子機器に接続しやすくするために、アルミニウム基複合材料からなる導体に端子金具を圧着接続してもよい。
また、本実施形態におけるアルミニウム基複合材料を導体として使用した電線は、ワイヤーハーネスに使用することが好ましい。上述のように、アルミニウム基複合材料を使用した電線は、従来に比べて高いレベルの高強度・高導電性を有するため、アルミニウム電線の細径化や、適用部位の拡大が可能となる。したがって、このような電線を使用したワイヤーハーネスは、従来よりも軽量化でき、さらに強度、耐久性及び導電性に優れるため、自動車用のワイヤーハーネスに好ましく用いることができる。
このように、第一実施形態に係るアルミニウム基複合材料は、純アルミニウムからなる複数の粗大結晶粒を有している。さらにアルミニウム基複合材料は、アルミニウム母相と、アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する複数の微細結晶粒を有している。そして、微細結晶粒は粗大結晶粒の間に存在し、微細結晶粒の結晶粒径は粗大結晶粒の結晶粒径よりも小さい構成となっている。このように、微細結晶粒では分散体がアルミニウム母相の内部に高分散しているため、アルミニウムの結晶粒を微細化し、アルミニウム基複合材料の強度やじん性を銅と同等のレベルまで高めることが可能となる。また、純アルミニウムからなる粗大結晶粒を含有しているため、得られるアルミニウム基複合材料の伸び及び導電率の低下を抑制することが可能となる。
＜アルミニウム基複合材料の製造方法＞
次に、第一実施形態に係るアルミニウム基複合材料の製造方法について説明する。図２（ａ）に示すように、まず、微細結晶粒の原料であるアルミニウム粉末と添加物とを秤量する。アルミニウム粉末としては、上述のように、導電性を高めるために純度が９９質量％以上のアルミニウムを使用することが好ましい。また、添加物としては、上述のように、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンブラック、炭化ホウ素及び窒化ホウ素を用いることが好ましい。
秤量工程では、得られるアルミニウム基複合材料において、分散体の含有量が炭素量換算で例えば０．１〜２．０質量％となるように、アルミニウム粉末と炭素材料とを秤量する。
そして、秤量したアルミニウム粉末及び添加物を混合して、混合粉末である微細結晶粒前駆体を作製する。アルミニウム粉末と炭素材料との混合方法は特に限定されず、例えばミリングによる乾式法により混合することができる。
次に、微細結晶粒前駆体と、純アルミニウムからなる粗大結晶粒前駆体とを混合する。粗大結晶粒前駆体としては、上述のように、導電性を高めるために純度が９９質量％以上の純アルミニウムを使用することが好ましい。そして、粗大結晶粒前駆体の混合量は、上述のように、得られるアルミニウム基複合材料において、分散体の含有量が炭素量換算で例えば０．１〜２．０質量％となるように混合することが好ましい。なお、微細結晶粒前駆体と粗大結晶粒前駆体との混合方法も特に限定されず、例えば乾式法により混合することができる。
次に、混合した微細結晶粒前駆体と粗大結晶粒前駆体を圧粉成形することにより、圧粉体を作製する。この成形工程では、上記混合粉末に圧力を加えて押し固めることにより圧粉体を作製する。成形工程では、混合粉末中のアルミニウム粉末と炭素材料との隙間が最小になるように混合粉末が押し固められることが好ましい。
圧粉体の成形工程で混合粉末に圧力を加える方法としては公知の方法を用いることができる。例えば、筒状の成形容器に混合粉末を投入した後、この容器内の混合粉末を加圧する方法が挙げられる。また、混合粉末に加える圧力は特に限定されず、微細結晶粒前駆体と粗大結晶粒前駆体との隙間が最小になるように適宜調整することが好ましい。混合粉末に加える圧力としては、例えば、アルミニウム粉末を良好に成形することが可能な６００ＭＰａとすることができる。また、成形工程で混合粉末に圧力を加える処理は、例えば常温下で行うことができる。さらに、成形工程で混合粉末に圧力を加える時間は、例えば５〜６０秒とすることができる。
次に、得られた圧粉体を焼結し、微細結晶粒前駆体におけるアルミニウムと添加物とを反応させることにより、アルミニウム母相の内部で分散体を生成する。焼結工程では、アルミニウムと添加物とが反応して分散体となる必要があることから、圧粉体の焼結温度は６００℃以上とする。焼結温度が６００℃未満の場合には、アルミニウムと添加物との反応が十分に進行せず、得られるアルミニウム基複合材料の強度が不十分となる恐れがある。なお、焼結温度の上限は特に限定されないが、アルミニウムの溶融温度である６６０℃以下とすることが好ましく、６３０℃以下とすることがより好ましい。
圧粉体の焼結時間は特に限定されず、アルミニウムと添加物とが反応する時間とすることが好ましい。具体的には、圧粉体の焼結時間は、例えば０．５〜５時間とすることが好ましい。また、圧粉体の焼結雰囲気は、アルミニウムと添加物の酸化を抑制するために、真空等の不活性雰囲気下で行う必要がある。
このような焼結工程により、微細結晶粒におけるアルミニウム母相の内部に分散体が分散し、さらに微細結晶粒が粗大結晶粒の間に存在したアルミニウム基複合材料を得ることができる。そして、得られたアルミニウム基複合材料を導線等に加工しやすくするために、焼結工程にて得られた焼結体を押出加工することが好ましい。焼結体を押出加工することにより、導線の前駆体である荒引線を得ることができる。
焼結体を押出加工する方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、筒状の押出加工装置に焼結体を投入した後、焼結体を加熱して押し出す方法が挙げられる。焼結体の加熱は、焼結体が押出可能な温度である３００℃以上となるように行うことが好ましい。このような押出加工を施すことにより、荒引線などの素材を得ることができる。そして、この荒引線に対し、例えば熱処理と伸線加工を繰り返すこと、電線の導体を得ることができる。
なお、上述のように、得られた導体において、微細結晶粒の結晶粒径は１μｍ未満であることが好ましい。微細結晶粒の結晶粒径が１μｍ未満まで微細化されていることにより、導体の強度やじん性を高めることが可能となる。
本実施形態における製造方法において、微細結晶粒前駆体におけるアルミニウム粉末の平均粉体径（Ｄ５０）は、０．２５μｍ以上であることが好ましい。アルミニウム粉末の平均粉体径が０．２５μｍ未満であっても、得られるアルミニウム基複合材料の強度を高めることは可能である。ただ、当該平均粉体径が０．２５μｍ未満の場合には、アルミニウム粉末の表面における酸素量が増加し、導電率が低下する場合がある。つまり、アルミニウムは空気中の酸素と反応することにより、表面に緻密な酸化膜を形成するため、導電率が低下する場合がある。
図３（ａ）では、アルミニウムの導電率とアルミニウム内に含有される酸素量との関係を示す。また、図３（ｂ）では、アルミニウム内に含有される酸素量とアルミニウム粉末の表面積との関係を示す。上述のように、アルミニウム基複合材料を電線材料として使用する場合には、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上にすることが好ましい。そのため、図３（ａ）より、アルミニウム内に含有する酸素量は、１．５７質量％以下であることが好ましい。そして図３（ｂ）より、アルミニウム内に含有する酸素量を１．５７質量％以下とするためには、アルミニウム粉末の比表面積を１７．４５ｍ２／ｇ以下とすることが好ましい。そのため、アルミニウム粉末の比表面積を１７．４５ｍ２／ｇ以下とするためには、アルミニウム粉末の平均粉体径（Ｄ５０）は０．２５μｍ以上であることが好ましい。
なお、微細結晶粒前駆体におけるアルミニウム粉末の平均粉体径の上限は特に限定されない。ただ、微細結晶粒前駆体におけるアルミニウム粉末の形状が略球状である場合には、アルミニウム粉末の平均粉体径は５μｍ以下であることが好ましい。当該平均粉体径が５μｍを超える場合にはアルミニウム粉末の比表面積が減少するため、分散体の分散度が減少する。その結果、得られる分散体の分散度も減少するため、アルミニウムの結晶粒を微細し難くなる恐れがある。なお、アルミニウム粉末の形状が略球状であるとは、アルミニウム粉末のアスペクト比が１〜２の範囲内であることをいう。また、本明細書において、アスペクト比とは、粒子の顕微鏡像において、（最大長径／最大長径に直交する幅）で定義される粒子の形状を表す値をいう。
ただ、微細結晶粒前駆体におけるアルミニウム粉末の形状が扁平状である場合には、アルミニウム粉末を薄くすることで表面積が増え、粉末表面における分散体の分散度を向上させることができる。具体的には、粉体径が２０μｍの球状粉末を、厚さ１μｍ、長径７２μｍの扁平状に加工すれば、粉体径が３μｍの球状粉末と同等の表面積となる。そのため、ただ、アルミニウム粉末の形状が扁平状である場合には、アルミニウム粉末の平均粉体径の上限は特に限定されない。なお、アルミニウム粉末の形状が扁平状であるとは、アルミニウム粉末の厚さに対する、最大長径の比（最大長径／厚さ）の比が１０〜１００の範囲内にあることをいう。また、アルミニウム粉末の平均粉体径、最大長径、最大長径に直交する幅及び厚さは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより測定することができる。
アルミニウム粉末の形状を扁平状に加工する方法は特に限定されず、公知の方法により行うことができる。例えば、φ５〜１０μｍのボールとアルミニウム粉末及び添加物とを遊星ボールミルのポットに投入し、回転処理することで得ることができる。
本実施形態のアルミニウム基複合材料の製造方法は、純度が９９質量％以上のアルミニウム粉末と、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンブラック、炭化ホウ素及び窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一つである添加物とを混合することにより、微細結晶粒前駆体を得る工程を有する。さらに、当該製造方法は、微細結晶粒前駆体と、純アルミニウムからなる粗大結晶粒前駆体とを混合して圧粉成形することにより、圧粉体を得る工程と、圧粉体を６００〜６６０℃の温度で加熱する工程とを有する。
従来のように、例えば、カーボンナノチューブのような炭素材料の構造をアルミニウム母相で維持する場合には、温度管理が困難となる。しかし、本実施形態の製造方法では、炭素材料のような添加物は焼結工程にてアルミニウムと反応させてしまうため、煩雑な温度管理を行う必要がない。また、本実施形態では、アルミニウム母相と添加物とを完全に反応させて生成した炭化物及び窒化物の少なくとも一方の分散体を活用する。そのため、分散体の表面被覆などの界面加工工程を実施する必要がない。さらに、本実施形態では、微細結晶粒前駆体と粗大結晶粒前駆体とを混合して所望の形状に加工した上で焼結することで、所望の分散度で分散した分散体を形成している。そのため、製造工程を簡略化することが可能となる。
［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係るアルミニウム基複合材料について詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一の構成について繰り返しの説明は省略する。
第二実施形態に係るアルミニウム基複合材料は、第一実施形態と同様に、複数の粗大結晶粒と、粗大結晶粒の間に存在し、結晶粒径が粗大結晶粒よりも小さい複数の微細結晶粒とを備える。そして、微細結晶粒は、第一実施形態と同様に、アルミニウム母相と、当該アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する。
しかしながら、本実施形態のアルミニウム基複合材料は、粗大結晶粒が純アルミニウムからなるものではなく、微細結晶粒と同様の組成を有する結晶粒からなる。つまり、本実施形態における粗大結晶粒は、アルミニウム母相と、当該アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する。そして、粗大結晶粒におけるアルミニウム母相を構成するアルミニウムの純度及び添加物の含有量の少なくとも一方が、微細結晶粒と異なっている。
上述のように、本実施形態のアルミニウム基複合材料における微細結晶粒と粗大結晶粒は、いずれもアルミニウム母相と分散体とを含有している。しかしながら、粗大結晶粒のアルミニウムの純度が微細結晶粒のアルミニウムの純度と異なっているか、または粗大結晶粒の添加物の含有量が微細結晶粒の添加物の含有量と異なっている。若しくは、粗大結晶粒と微細結晶粒は、アルミニウムの純度と添加物の含有量の両方が異なっている。このようにアルミニウムの純度及び／又は添加物の含有量を変化させることにより、得られる結晶粒の結晶粒径を異ならせることができる。
そして、通常、アルミニウムの純度を高めるか、添加物の含有量を低下させることにより、得られる結晶粒が粗大化する。さらに、アルミニウムの純度が高まり、添加物の含有量が低下した粗大結晶粒は、第一実施形態の純アルミニウムからなる粗大結晶粒と同様の効果を奏する。したがって、粗大結晶粒として、アルミニウム母相と分散体とを含有する結晶粒を用いたとしても、第一実施形態と同様に、得られるアルミニウム基複合材料の引張強度、導電率を向上させることが可能となる。
本実施形態における粗大結晶粒のアルミニウム母相としては、微細結晶粒と同様に、純度が９９質量％以上のアルミニウムを用いることが好ましい。また、添加物としては、微細結晶粒と同様に、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンブラック、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）及び窒化ホウ素（ＢＮ）からなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。
また、本実施形態における粗大結晶粒では、第一実施形態と同様に、アルミニウム母相の内部に、棒状または針状の炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３）からなる分散体が高分散していることがより好ましい。さらに、粗大結晶粒のアルミニウム母相中において、隣接する分散体の間隔は１μｍ以下であることが好ましい。そして、本実施形態のアルミニウム基複合材料において、分散体の含有量は、炭素量換算で０．１〜２．０質量％であることが好ましい。
なお、第一実施形態と同様に、本実施形態のアルミニウム基複合材料において、粗大結晶粒の結晶粒径は、微細結晶粒の結晶粒径よりも大きい必要がある。具体的には、粗大結晶粒の結晶粒径は、１μｍ〜５μｍであることが好ましい。また、微細結晶粒の結晶粒径は、１μｍ未満であることが好ましい。
本実施形態のアルミニウム基複合材料において、粗大結晶粒と微細結晶粒との割合は特に限定されないが、第一実施形態と同様に、例えば質量比で１：２〜１：１（粗大結晶粒：微細結晶粒）とすることが好ましい。
次に、第二実施形態に係るアルミニウム基複合材料の製造方法について説明する。図２（ｂ）に示すように、まず、微細結晶粒の原料であるアルミニウム粉末と添加物とを秤量する。アルミニウム粉末及び添加物としては、第一実施形態と同様のものを使用することができる。
そして、秤量したアルミニウム粉末及び添加物を混合して、混合粉末である微細結晶粒前駆体を作製する。アルミニウム粉末と炭素材料との混合方法は特に限定されず、例えばミリングによる乾式法により混合することができる。
次に、粗大結晶粒の原料であるアルミニウム粉末と添加物とを秤量する。アルミニウム粉末及び添加物としては、微細結晶粒と同様のものを使用することができる。そして、微細結晶粒と同様に、秤量したアルミニウム粉末及び添加物を混合して、混合粉末である粗大結晶粒前駆体を作製する。
その後、微細結晶粒前駆体と、純アルミニウムからなる粗大結晶粒前駆体とを混合する。なお、微細結晶粒前駆体と粗大結晶粒前駆体との混合方法も特に限定されず、例えば乾式法により混合することができる。
さらに、第一実施形態と同様に、混合した微細結晶粒前駆体と粗大結晶粒前駆体を圧粉成形することにより、圧粉体を作製する。次に、得られた圧粉体を焼結し、微細結晶粒前駆体におけるアルミニウムと添加物とを反応させ、さらに粗大結晶粒前駆体におけるアルミニウムと添加物とを反応させることにより、アルミニウム母相の内部で分散体を生成する。
そして、焼結工程にて得られた焼結体を押出加工することにより、導線の前駆体である荒引線を得ることができる。また、この荒引線に対し、例えば熱処理と伸線加工を繰り返すこと、電線の導体を得ることができる。
このように、第二実施形態に係るアルミニウム基複合材料は、アルミニウム母相と、アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する複数の粗大結晶粒を有している。さらに、当該複合材料は、アルミニウム母相と、アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物がアルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する複数の微細結晶粒を有している。そして、微細結晶粒におけるアルミニウム母相を構成するアルミニウムの純度及び添加物の含有量の少なくとも一方が、粗大結晶粒と異なっている。また、微細結晶粒は粗大結晶粒の間に存在し、微細結晶粒の結晶粒径は粗大結晶粒の結晶粒径よりも小さい構成となっている。このように、微細結晶粒では、分散体がアルミニウム母相の内部に高分散しているため、アルミニウムの結晶粒を微細化し、アルミニウム基複合材料の強度やじん性を銅と同等のレベルまで高めることが可能となる。また、粗大結晶粒を含有しているため、得られるアルミニウム基複合材料の導電率の低下を抑制することが可能となる。
以下、本発明を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
[実施例１]
まず、得られる微細結晶粒における、分散体としての炭化アルミニウムの含有量が４．００質量％となるように、アルミニウム粉末とカーボンナノチューブとを秤量した。なお、アルミニウム粉末は、株式会社高純度化学研究所製、製品名ＡＬＥ１６ＰＢを使用し、平均粉体径が２０μｍであった。また、カーボンナノチューブは、ＣＮａｎｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ製、製品名Ｆｌｏｔｕｂｅ９０００Ｇ２を使用した。
次に、秤量したアルミニウム粉末及びカーボンナノチューブを遊星ボールミルのポットに投入し、回転処理することにより、微細結晶粒前駆体を調製した。なお、この際、微細結晶粒前駆体を観察した結果、アルミニウム粉末は扁平形状であった。
さらに、得られた微細結晶粒前駆体と粗大結晶粒前駆体である純アルミニウム粉末とを、質量比で１：１となるように混合して、混合粉末を作製した。なお、粗大結晶粒前駆体である純アルミニウム粉末としては、株式会社高純度化学研究所製、製品名ＡＬＥ０６ＰＢを使用し、粉体径が１０６μｍ〜１８０μｍであった。
次に、得られた混合粉末を金型に投入し、常温で６００ＭＰａの圧力を加えることにより、圧粉体を調製した。そして、得られた圧粉体を、電気炉を用いて真空中６３０℃で３００分間加熱することにより、本例の焼結体を調製した。さらに、得られた焼結体を押出加工することにより、φ０．２７２ｍｍである本例の伸線を得た。
[実施例２]
まず、得られる微細結晶粒における、分散体としての炭化アルミニウムの含有量が２．００質量％となるように、純度９９．９％のアルミニウム粉末とカーボンナノチューブとを秤量した。なお、アルミニウム粉末は、株式会社高純度化学研究所製のものを使用し、平均粉体径が２０μｍであった。また、カーボンナノチューブは、実施例１と同じものを使用した。
次に、秤量したアルミニウム粉末及びカーボンナノチューブを遊星ボールミルのポットに投入し、回転処理することにより、微細結晶粒前駆体を調製した。なお、この際、微細結晶粒前駆体を観察した結果、アルミニウム粉末は扁平形状であった。
さらに、得られる粗大結晶粒における、分散体としての炭化アルミニウムの含有量が２．００質量％となるように、純度９９．９９％のアルミニウム粉末とカーボンナノチューブとを秤量した。なお、アルミニウム粉末は、株式会社高純度化学研究所製のものを使用し、平均粉体径が２０μｍであった。また、カーボンナノチューブは、実施例１と同じものを使用した。
次に、秤量したアルミニウム粉末及びカーボンナノチューブを遊星ボールミルのポットに投入し、回転処理することにより、粗大結晶粒前駆体を調製した。なお、この際、粗大結晶粒前駆体を観察した結果、アルミニウム粉末は扁平形状であった。
そして、得られた微細結晶粒前駆体と粗大結晶粒前駆体を、質量比で１：１となるように混合して、混合粉末を作製した。
次に、得られた混合粉末を金型に投入し、常温で６００ＭＰａの圧力を加えることにより、圧粉体を調製した。そして、得られた圧粉体を、電気炉を用いて真空中６３０℃で３００分間加熱することにより、本例の焼結体を調製した。さらに、得られた焼結体を押出加工することにより、φ０．２７２ｍｍである本例の伸線を得た。
[比較例]
まず、得られるアルミニウム基複合材料における、分散体としての炭化アルミニウムの含有量が２．００質量％となるように、アルミニウム粉末とカーボンナノチューブとを秤量した。なお、アルミニウム粉末及びカーボンナノチューブは、実施例１と同じものを使用した。
次に、秤量したアルミニウム粉末及びカーボンナノチューブを遊星ボールミルのポットに投入し、回転処理することにより、混合粉末を作製した。なお、この際、混合粉末を観察した結果、アルミニウム粉末は扁平形状であった。
そして、得られた混合粉末を金型に投入し、常温で６００ＭＰａの圧力を加えることにより、圧粉体を調製した。そして、得られた圧粉体を、電気炉を用いて真空中６３０℃で３００分間加熱することにより、本例の焼結体を調製した。そして、得られた焼結体を押出加工することにより、φ０．２７２ｍｍである本例の伸線を得た。
［評価］
実施例１及び２、並びに比較例で得られた伸線の最大引張強さ及び伸びをＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠して測定した。また、各伸線の導電率をＪＩＳ Ｈ０５０５に準拠して測定した。各実施例１及び２、並びに比較例の伸線における最大引張強さ、伸び及び導電率を、試料の組成と共に表１に示す。
表１より、本実施形態に係る実施例１は、比較例よりも引張強さは若干劣るものの、伸び及び導電率を向上させることが可能となった。また、実施例２は、比較例よりも伸びは若干劣るものの、引張強さ及び導電率を向上させることが可能となった。つまり、実施例１及び２、並びに比較例の複合材料は、分散体である炭化アルミニウムの含有量は同じであるが、実施例１及び２の複合材料は、粗大結晶粒と微細結晶粒からなるバイモーダル組織を有している。そのため、微細結晶粒からなる比較例の複合材料と比べて、実施例１及び２の複合材料は、伸び及び導電率の少なくとも一方を向上させることが可能となった。
図４では、実施例１の伸線の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す。図４より、実施例１の複合材料は、アルミニウム母相１の内部に分散体２としての炭化アルミニウムの粒子が高分散していることが確認できる。
また、図５では、実施例１の伸線の断面を電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）により、結晶粒観を調べた結果を示す。図５より、実施例１の複合材料は、粗大結晶粒３の領域と微細結晶粒４の領域が共存し、微細結晶粒４は粗大結晶粒３の間に存在していることが確認できる。
以上、本発明を実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
１ アルミニウム母相
２ 分散体（炭化アルミニウム）
３ 粗大結晶粒
４ 微細結晶粒

Claims (5)

  1. 純アルミニウムからなる複数の粗大結晶粒と、
    アルミニウム母相と、前記アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物が前記アルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する複数の微細結晶粒と、
    を有し、
    前記微細結晶粒は前記粗大結晶粒の間に存在し、前記微細結晶粒の結晶粒径は前記粗大結晶粒の結晶粒径よりも小さいアルミニウム基複合材料。
  2. アルミニウム母相と、前記アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物が前記アルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する複数の粗大結晶粒と、
    アルミニウム母相と、前記アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部または全ての添加物が前記アルミニウム母相におけるアルミニウムと反応することにより形成された分散体とを有する複数の微細結晶粒と、
    を有し、
    前記微細結晶粒における前記アルミニウム母相を構成するアルミニウムの純度及び前記添加物の含有量の少なくとも一方が、前記粗大結晶粒と異なっており、
    前記微細結晶粒は前記粗大結晶粒の間に存在し、前記微細結晶粒の結晶粒径は前記粗大結晶粒の結晶粒径よりも小さいアルミニウム基複合材料。
  3. 前記添加物は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンブラック、炭化ホウ素及び窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一つである請求項１又は２に記載のアルミニウム基複合材料。
  4. 前記分散体は、長径と短径との比（長径／短径）が１〜３０であり、長径が０．０１ｎｍ〜５００ｎｍであり、短径が０．０１ｎｍ〜２００ｎｍである請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアルミニウム基複合材料。
  5. 請求項１に記載のアルミニウム基複合材料の製造方法であって、
    純度が９９質量％以上のアルミニウム粉末と、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンブラック、炭化ホウ素及び窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一つである添加物とを混合することにより、微細結晶粒前駆体を得る工程と、
    前記微細結晶粒前駆体と、純アルミニウムからなる粗大結晶粒前駆体とを混合して圧粉成形することにより、圧粉体を得る工程と、
    前記圧粉体を６００〜６６０℃の温度で加熱する工程と、
    を有するアルミニウム基複合材料の製造方法。
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