JP2023550102A - バスバー用アルミニウム－炭素金属マトリックス複合体 - Google Patents
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Abstract
電力配電用途のためのバスバー。バスバーは、ナノスケール炭素粒子（例えば、カーボンナノチューブ）を有するアルミニウム（Ａｌ）金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）を含む。一例において、ナノスケール炭素粒子の濃度は、０．０１～２重量パーセント（ｗｔ％）の範囲である。このナノスケール炭素粒子は、Ａｌ－ＭＭＣの全体にわたって均一に分布している。【選択図】図８
Description
開示される教示は、バスバー用途のための金属複合体に関する。
配電において、バスバーは、典型的には、局所的な高電流配電のためのスイッチギヤ、パネルボード、およびバスウェイエンクロージャの内部に収容された金属ストリップまたはバーである。それらはまた、電気スイッチヤードにおける高電圧機器、およびバッテリーバンクにおける低電圧機器を接続するために使用される。それらは一般に絶縁されておらず、絶縁されたピラーによって空気中で支持されるのに十分な剛性を有する。これらの特徴は、バスバー導体の十分な冷却を可能にし、新たな接合部を形成することなく様々な点で導体にタップ接続する能力を可能にする。
バスバーの材料組成および断面サイズによって、安全に搬送することができる電流の最大量が決定される。バスバーの断面積は１０平方ミリメートル（ｍｍ２）程度であるが、変電所では直径約５０ミリメートル（または約２，０００ｍｍ２）以上の金属管をバスバーとして使用することがある。
バスバーは、平坦なストリップ、ソリッドバー、またはロッドなどの様々な形状で製造され、典型的には、銅、真鍮、またはアルミニウム（Ａｌ）から構成される。これらの形状のいくつかは、断面積に対する表面積の比が高いため、熱をより効率的に放散させることができる。表皮効果は、５０～６０ＨｚのＡＣバスバーの厚さが約８ｍｍよりも厚いと非効率的であるため、より高い電流用途においては中空または平坦な形状が普及している。また、中空部は同等の通電容量を持つソリッドロッドよりも剛性が高いため、屋外の電気用途ではバスバー支持体間のスパンを大きくすることができる。
本開示の１つまたは複数の実施形態は、添付の図面の図に限定ではなく例として示されており、同様の参照符号は同様の要素を示す。
以下に記載される実施形態は、当業者が実施形態を実施することを可能にするために必要な情報を表し、実施形態を実施する最良の形態を示す。添付の図面に照らして以下の説明を読めば、当業者は本開示の概念を理解し、本明細書で特に扱われていないこれらの概念の適用を認識するであろう。これらの概念および用途は、本開示および付随する実施形態の範囲内にあることを理解されたい。
［バスバー用途］
配電において、バスバーは、局所的な高電流配電のための金属ストリップまたはバーである。図１は、市販の銅（Ｃｕ）バスバーの例の画像である。バスバーの用途としては、船舶、運輸、通信、ユーティリティ、発電などの産業が挙げられる。自動車産業はまた、高電流電気を分配する堅牢な方法を提供するために様々なバスバーを含むことができる。これらの産業では、重量およびコストを低減するためにＣｕバスバーをアルミニウム（Ａｌ）で置き換えることによって利益を得ることができる。例えば、自動車産業では、電気自動車（ＥＶ）またはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）への関心が高まるにつれて、配電要件およびその結果として、これらの車両に必要とされるバスバーの量が大幅に増加している。バスバーは伝統的にＣｕから作製されるので、バスバーの使用の増加は車両重量に悪影響を及ぼす。ＡｌはＣｕに比べて密度が約３０％、導電率が約６０％であるため、Ｃｕに比べて約５０％の軽量化で同様の電力分布を達成することができる。さらに、原材料および工業プロセスのコストは変動するであろうが、Ａｌは、歴史的にＣｕよりもはるかに安価である。したがって、同じ電気的要件を意図したＡｌ導体は、Ｃｕ導体よりも軽量であり、かつ安価であるため、自動車用途においてＣｕバスバーをＡｌバスバーに置き換えることは、増加する重量およびコストを相殺することができる一方で、依然として電力要件を満たすことができる。
配電において、バスバーは、局所的な高電流配電のための金属ストリップまたはバーである。図１は、市販の銅（Ｃｕ）バスバーの例の画像である。バスバーの用途としては、船舶、運輸、通信、ユーティリティ、発電などの産業が挙げられる。自動車産業はまた、高電流電気を分配する堅牢な方法を提供するために様々なバスバーを含むことができる。これらの産業では、重量およびコストを低減するためにＣｕバスバーをアルミニウム（Ａｌ）で置き換えることによって利益を得ることができる。例えば、自動車産業では、電気自動車（ＥＶ）またはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）への関心が高まるにつれて、配電要件およびその結果として、これらの車両に必要とされるバスバーの量が大幅に増加している。バスバーは伝統的にＣｕから作製されるので、バスバーの使用の増加は車両重量に悪影響を及ぼす。ＡｌはＣｕに比べて密度が約３０％、導電率が約６０％であるため、Ｃｕに比べて約５０％の軽量化で同様の電力分布を達成することができる。さらに、原材料および工業プロセスのコストは変動するであろうが、Ａｌは、歴史的にＣｕよりもはるかに安価である。したがって、同じ電気的要件を意図したＡｌ導体は、Ｃｕ導体よりも軽量であり、かつ安価であるため、自動車用途においてＣｕバスバーをＡｌバスバーに置き換えることは、増加する重量およびコストを相殺することができる一方で、依然として電力要件を満たすことができる。
車両内に電気部品を効率的に取り付け、接続することはますます重要になっており、この目的のために、ワイヤ、ケーブル、およびバスバーが、車両の様々なサブシステムに電力を分配するために商業的に使用されている。ＨＥＶ／ＥＶ電池モジュール接続アセンブリにおいて、コネクタは、高い強度、伝導性（例えば、熱的、電気的）および熱安定性を有することが好ましい。Ａｌの標準的な通電容量は、約０．７Ａ／ｍｍ２であり、これは、ＨＥＶ／ＥＶにおいて電池モジュールを接続する際に使用するのに十分である。ＨＥＶ／ＥＶの電力要件は毎年増加し続けており、したがって、効率的な接続の必要性も増加している。しかしながら、高まる需要を満たすためにバスバーの数または断面サイズを単に増加させることは、重量およびコストを低減するという目標に反する。
市販のＡｌ合金は、強度、導電性、耐クリープ性、熱安定性などの特性の必要な組合せを有していないので、バスバー用途においてＣｕの理想的な代替物ではない。例えば、図２では、Ａｌ合金の強度が合金元素を添加することによって増加され得ることを示す。しかしながら、これらの添加は、固体αＡｌマトリックス相を有する溶液中の任意の元素が追加の電気散乱部位として作用するように働くので、導電性の低下という犠牲を払うことになる（Ｊ．Ｔｏｋｕｔｏｍｉ ｅｔ ａｌ、ＣＩＲＰ Ａｎｎａｌｓ－Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ６４（２０１５）２５７－２６０）。加えて、市販のＡｌ合金中の合金元素は、αＡｌ相中で比較的高い移動度を有しており、それらが高温で保持される場合、過時効処理（over-aging）による強度の低下をもたらす。この過時効処理の傾向はまた、典型的なＡｌ合金の高温クリープ抵抗に悪影響を及ぼし得る。
［電気バスバー用途のためのアルミニウム炭素金属マトリックス複合体］
開示される実施形態は、αＡｌ相に溶解しない粒子を含むＡｌ系金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）で作製されたバスバーおよび関連製品を含み、大幅な強化および耐クリープ性を実現する。より具体的には、開示される技術は、電気バスバー用途のためのアルミニウム炭素（Ａｌ－Ｃ）ＭＭＣに関する。一例では、ＭＭＣは、その中に分布されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を有するＡｌマトリックスを含む。ＣＮＴは、炭素（Ｃ）原子が１つまたは複数の円筒状の層（単層、多層など）に配置され、各層内で六角形のタイリングなどの幾何学パターンで共有結合により結合し、最大数百ナノメートルの直径を持つ中空管を形成する分子スケール構造である。カーボンナノチューブは、フラーレンケージと（グラファイトのような）平坦なグラフェンシートとの中間の炭素の同素体であると考えられている。
開示される実施形態は、αＡｌ相に溶解しない粒子を含むＡｌ系金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）で作製されたバスバーおよび関連製品を含み、大幅な強化および耐クリープ性を実現する。より具体的には、開示される技術は、電気バスバー用途のためのアルミニウム炭素（Ａｌ－Ｃ）ＭＭＣに関する。一例では、ＭＭＣは、その中に分布されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を有するＡｌマトリックスを含む。ＣＮＴは、炭素（Ｃ）原子が１つまたは複数の円筒状の層（単層、多層など）に配置され、各層内で六角形のタイリングなどの幾何学パターンで共有結合により結合し、最大数百ナノメートルの直径を持つ中空管を形成する分子スケール構造である。カーボンナノチューブは、フラーレンケージと（グラファイトのような）平坦なグラフェンシートとの中間の炭素の同素体であると考えられている。
Ａｌ－Ｃ ＭＭＣは、電気バスバー用途に対して多くの利点を有する。開示されたＭＭＣは、純粋なアルミニウムの導電率に近い導電率を維持しながら、望ましい強度、熱安定性、および耐クリープ性を示す。バスバー用途におけるＭＭＣの使用は、高い熱安定性が増加した動作温度を可能にし得るので、所与のバスバー断面積に対する改善されたアンペア容量を可能にし得る。これにより、バスバーの寸法を小さくすることで軽量化を図ることができ、また、バスバーのサイズが一定であれば、構造や性能に問題を起こすことなく、より高いピーク電流を流すことができるようになる。さらに、ＭＭＣの耐クリープ性は、バスバーと他の電気部品との間の接続に関連する複雑さを低減するのに役立ち得る。このバスバーはあらゆる産業で使用可能であるが、本開示では、自動車産業における潜在的な利点に重点を置く。
バスバーは、５０％超の国際軟銅規格（ＩＡＣＳ）導電率、８０ＭＰａ超の極限引張強さ（ＵＴＳ）、および１０％超の伸びを有することができる。一例では、バスバーは、５０％超、または５５％超、または５８％超のＩＡＣＳ導電率、１２０ＭＰａ超のＵＴＳ、および３０％超の伸びを有する。ただし、バスバーが他の範囲の特性を持つこともある。別の例では、バスバーは、５０％超、または５５％超、または５８％超のＩＡＣＳ導電率、２００ＭＰａ超のＵＴＳ、および１％超の伸びを有する。別の例では、バスバーは、５０％超、または５５％超、または５８％超のＩＡＣＳ導電率、３００ＭＰａ超のＵＴＳ、および３％超の伸びを有する。
Ａｌ－ＭＭＣ材は、純Ａｌであってもよいし、Ａｌ以外の金属元素を含むＡｌ合金であってもよい。好ましくは、Ａｌマトリックスは、純Ａｌまたは少なくとも５０％ＩＡＣＳの導電率を有するＡｌ合金、例えば、９９％の最小Ａｌ含有量を有する１ＸＸＸシリーズの展伸用合金である。２ＸＸＸ～７ＸＸＸの他の展伸用合金シリーズにおけるＡｌ合金は、５０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有するものであれば、好適である。また、他の市販されていない組成のＡｌ合金も好適であり得る。例えば、Ｓｃと、任意選択的にジルコニウム（Ｚｒ）、エルビウム（Ｅｒ）、および／またはイッテルビウム（Ｙｂ）などの他の元素とを有する、５０％ＩＡＣＳを超える導電率を有するアルミニウム－スカンジウム（Ａｌ－Ｓｃ－Ｘ）合金が好適である。本明細書で使用される場合、「Ａｌ－Ｃ」、「Ａｌ－ＣＮＴ」、および「Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣ」という用語は、マトリックス中にＣまたはＣＮＴ粒子が分布する、純ＡｌまたはＡｌ合金のＭＭＣを指すことがある。
高温での押出し後などの柔らかい状態では、２×２０ｍｍの長方形のＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣバスバーは、約１２０ＭＰａのＵＴＳ、約３０％の伸び、および５０％超、または５５％超、または５８％超のＩＡＣＳ導電率を有する、引張特性と電気特性との望ましい組合せを有することができる。これらの例は、改善されたクリープ挙動（例えば、８０％の降伏強度および１５０℃で、５００時間（ｈｒ）後の最小クリープ）を有する。さらに、ＭＭＣのマトリックス全体にわたってより均一に分布したＣＮＴを有するＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴバスバーの１８０度フラットワイズ曲げ試験では、亀裂は観察されない。
いくつかの実施形態では、Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣの冷間加工は、導電率への影響が最小限であり、伸びが減少する一方で引張強さが著しく増加し得る。約３３５ＭＰａのより大きなＵＴＳを観察することができるが、この値が、開示された方法で達成することができる強度の上限であることを示すものはない。伸びは、全ての冷間加工例について約４％のままである。冷間加工によって達成される強度は、国際標準規格ＩＥＣ６２００４「架空線導体用の耐熱性アルミニウム合金ワイヤ」の材料タイプＡＴ４に関して記載されているように、初期応力緩和熱処理後に熱的に安定であり得る。この規格によると、タイプＡＴ４として認定されるためには、Ａｌ合金ワイヤは、３１０℃で４００時間、または４００℃で１時間の熱処理を受けた後に、その初期引張強さの９０％を保持しなければならない。
例えば、３３５ＭＰａの初期延伸時引張強さを有するＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣの場合、３２５℃で１時間熱処理すると、通常約３０ＭＰａ強度が低下して熱的に安定な状態、例えば、ＵＴＳが約３０５ＭＰａとなる。その後、３１０℃で４００時間、または４００℃で１時間のいずれかの熱処理を行うと、ＵＴＳの低下は１０％未満となる。したがって、熱処理された材料は、ＩＥＣ６２００４規格によるタイプＡＴ４の要件を満たす。
Ａｌ－Ｃ ＭＭＣの有効性における重要な要因は、ＭＭＣ内のナノスケール炭素粒子の分布である。例えば、ＣＮＴがＡｌマトリックス中に、例えば１０ミクロン幅よりも大きい凝集体として存在する場合、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣ中のＣＮＴの大部分は、マトリックスの強度の増加には寄与しないという点で無駄になり得る。ＣＮＴの均一な分布を有するＡｌ－ＣＮＴ ＭＭＣを、大規模製造に資する方法で製造することは、これらの材料の広範な適用に対する大きなハードルのままである。本明細書に開示される解決策を用いると、ＣＮＴ分布、したがって、最初は不十分なＣＮＴ分布を有するＡｌ－ＣＮＴ ＭＭＣの特性が、押出し加工、ＥＣＡＰなどによる固相変形によって改善される。本明細書に記載の例は、強度、熱安定性、耐クリープ性、および曲げ挙動が改善される。
図３は、ＭＭＣ（例えば、Ａｌ－Ｃ ＭＭＣ）中のナノスケール炭素粒子の均一な分布を達成するためのプロセス３００を示すフローチャートである。３０２において、金属マトリックスおよびナノスケール炭素粒子を含むＭＭＣ供給原料材料（例えば、Ａｌ－ＭＭＣ供給原料）が調製される。供給原料材料の例としては、ＡｌＣロッド、バー、顆粒、または圧縮粉末ビレットが挙げられる。３０４において、ＭＭＣ供給原料材料は、ナノスケール炭素粒子の均一な分布を有するＭＭＣコンポーネントを形成するために、固相変形プロセスによって処理される。このように、ＭＭＣコンポーネントは、例えば０．０１～２ｗｔ％の濃度範囲でナノスケール炭素粒子の均一な分布を有することができる。固相変形プロセスとしては、例えば、押出しプロセス、等チャネル角プレス（ＥＣＡＰ）プロセスが挙げられる。ＭＭＣ供給原料材料は、固相変形プロセスを複数回通過させて、均質性をさらに改善することができる。
一般に、十分に分布したナノスケール炭素粒子（例えば、ＣＮＴ）をＡｌに少量添加すると、実質的に純粋なアルミニウムと比較して、導電率、弾性率、および熱膨張係数を実質的に同様に維持しながら、引張強さが増加する。ナノスケール粒子は、広義には１００ナノメートル未満の少なくとも１つの限界寸法を有し、固有の光学的、磁気的、または電気的特性を有する粒子として定義することができる。ナノスケール炭素粒子は、ＣＮＴ、グラフェン、フラーレン、ナノダイヤモンドなどの炭素から主に構成されるナノスケール粒子である。
さらに、一般に、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣ製品は、加工および分散硬化を通してその引張強さを得る。例えば、押出された材料を最終サイズに圧延および／または延伸することによる冷間加工の間、粒子構造は微細化され、ＣＮＴはマトリックス中により均一に分散する。Ａｌ－ＣＮＴの引張強さはＣＮＴ含有量とともに増加するが、導電率はわずかに減少する。その観点から、好ましい濃度は、約０．０１～２重量パーセント（ｗｔ％）、例えば、０．１～１ｗｔ％、または０．２～０．８ｗｔ％、または０．２５～０．７５ｗｔ％、または０．４～０．６ｗｔ％、または約０．５ｗｔ％のＣＮＴであり、これにより、ＭＭＣは、５０％超、または５５％超、または５８％超のＩＡＣＳ導電率を維持しながら、ＵＴＳの実質的な増加を達成することができる。
Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣロッドまたはワイヤの場合、初期押出し直径から最終直径までの延伸による冷間加工の効果は、以下の関係によって示される。
ここで、ＡおよびＢは、ＣＮＴの量に依存する定数である。この式は、押出しおよび延伸ワイヤの所望のＵＴＳおよび最終直径Ｄｆを達成するために必要とされるＡｌ－ＣＮＴロッドの初期押出し直径Ｄｉを計算するために使用することができる。０．５ｗｔ％のＣＮＴと組み合わされた１０７０アルミニウム（Ａｌ９９．７）からなるマトリックスについて、定数ＡおよびＢは、それぞれ約１４５および約６０であることが見出された。
特に、ＡＡ１３５０などの導体グレードのＡｌの導電率は６１．２～６１．８％ＩＡＣＳであり、Ｃｕに比べて強度が低い。上述したように、Ａｌへの合金元素の添加は、強度を増加させる（例えば、２ｘｘｘ、５ｘｘｘ、６ｘｘｘ、および７ｘｘｘ系合金）が、一般的には導電率を低下させる。市販の合金に使用される強化粒子は、Ａｌマトリックス中での移動度が比較的高いので、Ａｌ合金の熱安定性は低い。このため、Ａｌ合金は通常、約１５０℃を超える温度にさらされる用途には使用されない。しかしながら、上述したように、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣは、導電性を著しく損なうことなく、高い機械的強度と約１５０℃を超える温度に対する熱安定性を提供する。
したがって、開示される技術は、特に自動車産業において、改善された導電性、強度、使用温度、および耐クリープ性を有する純ＡｌおよびＡｌ合金バスバーに対する進歩を提供することができる。開示される技術から利益を得ることができる自動車産業における例としては、バッテリパック内の個々のセルを接続するバスバー、複数のバッテリパックを接続するバスバー、およびバッテリパックをモータインバータおよび他の電気部品に接続するバスバーが挙げられる。一部のバスバーは、高温にさらされる車両の部品に使用される。バスバーは、２つ以上のコンポーネント間を単純な直線で接続することができ、またはバスバーは、車両の密集した領域を通ってナビゲートするために複雑な幾何学的形状を有することができる。これらのバスバーは、通常、スズめっきされた銅であり、本明細書で論じるＡｌ－ＣＮＴ ＭＭＣで置き換えることができるバスバーの良好な例である。このため、バスバーのための理想的なＡｌ ＭＭＣは、亀裂を形成することなく複雑な形状に成形することと、バスバーのライフサイクル全体にわたってそれらの形状を維持するのに十分に強いこととの両方が可能である。
ＣＮＴで強化されたＡｌ ＭＭＣは、高い比強度を提供し、優れた熱／電気特性を有する。使用されるＣＮＴの量およびＡｌマトリックス中の分布は、Ａｌ－ＣＮＴ複合体の最大強度を達成するための重要なパラメータである。例えば、より低い濃度のＣＮＴ（０．１ｗｔ％）およびマトリックス中の均一な分散を有するＭＭＣは、比較的より高い濃度のＣＮＴ（０．２５～１．０ｗｔ％）を有するが、マトリックス中の分散が乏しく、大きい凝集体を有する同様に調製されたＭＭＣよりも高い強度を有することができることが観察されている。
純Ａｌの導電率よりも導電率を著しく低下させることなく、所望の強度、熱安定性、および耐クリープ性を有するＡｌバスバーを製造するためには、溶質原子を比較的含まないαＡｌマトリックスによって囲まれた強化粒子の微細分散を作り出すことが有効である。この結果を得るためには、α－Ａｌへの有意な溶解性を持たないＭＭＣ添加物を使用すべきである。炭素は、Ａｌへの固溶度が報告されておらず、いくつかのナノスケール構造で製造することができるので、配電用途のためのＡｌ系ＭＭＣバスバーの添加物として理想的な候補である。ＣＮＴに加えて好適なナノスケール粒子の例としては、グラフェンナノプレートレット（ＧＮＰ）、フラーレン（例えば、原子の中空ケージからなる大きな球状分子を有する炭素の形態）、およびナノダイヤモンド（例えば、わずか数ナノメートルの寸法しかないダイヤモンド粒子）が挙げられる。
ナノスケール炭素粒子の添加から最大の利益を得るためには、ＭＭＣ全体に粒子を均一に分布させることが好ましい。所望の製造規模や使用する炭素の形態に応じて、いくつかの方法で均一な分布を達成することができる。例えば、炭素粒子をＡｌ溶融物に添加し、ＭＭＣを鋳造することは、１つのアプローチであるが、炭素添加の偏析または燃焼を回避するように注意を払う必要がある。第２の方法は、粉末冶金技術を用いて、Ａｌおよびナノスケール炭素粉末を一緒に均一に混合および焼結して固体ビレットにすることである。第３の方法は、摩擦撹拌加工、ＥＣＡＰ、押出しなどの固相加工技術によって、ナノスケール炭素粒子をＡｌマトリックス中に機械的に撹拌することを含む。
得られたバスバーは、バスバーの全体積にわたって均一に分布した炭素粒子（例えば、ＣＮＴ）濃度を有する。すなわち、炭素粒子間に著しい不規則な空隙または不規則な空の空間がなく、炭素粒子は凝集しておらず（または凝集があっても無視できる）、バスバー全体にわたって炭素粒子の濃度が高い部分や低い部分が存在しない。マトリックス中の炭素粒子の量は、マトリックス体積の全ての部分において本質的に同じであり、すなわち、Ａｌ－ＭＭＣ複合体内には、炭素粒子濃度が他の部分と明確に異なる部分、すなわち、２０％、１０％、または好ましくは５％を超える差を有する部分は存在しない。
一例において、結果として得られるバスバーは、非多孔質である均一な密度を有する。例えば、密度は、材料の体積、Ａｌおよび炭素粒子の相対量、並びにそれらのそれぞれの密度に基づいて計算することができる理論複合密度から最大で２％逸脱してもよい。サンプルＡｌ－Ｃ ＭＭＣの均一な炭素粒子濃度により、バスバーの全体積にわたって均一なコンダクタンスなどの一貫した均一な特性が得られる。サンプルＡｌ－Ｃ ＭＭＣバスバーにおける炭素粒子の均一な分布は、高解像度顕微鏡法によって検証することができる。
Ａｌ－Ｃ ＭＭＣを製造するためにいずれの技術が使用されても、加工からの残留応力の最終量は、ＭＭＣの得られる強度および伸びに影響を及ぼす。設置のための特定の幾何学的形状を達成するためにバスバーの曲げを必要とするものなど、著しい伸びを必要とするバスバー用途では、残留応力が比較的ない最終状態を得るために注意を払うべきである。この用途に適した最終状態を達成するための１つの方法は、必要な冷間加工手順が実施された後に高温でバスバーをアニールすることによって残留応力を緩和することである。別の方法は、残留応力の発生を制限するために、高温で実行するプロセス（例えば、鋳造、押出し）を使用して、所望の最終寸法および幾何学的形状を有するバスバーを最初に製造することである。より高い強度が望まれ、伸びがそれほど重要でない場合、冷間加工などの適用による残留応力は、強度を増加させるための実行可能な方法である。
［製造の詳細］
開示される実施形態は、ＣＮＴ、ＧＮＰ、フラーレン、および／またはナノダイヤモンドなどのナノ構造添加物を少量、例えば（０．０１～２ｗｔ％）含有するＡｌ ＭＭＣバスバーを製造する方法を含む。これらのバスバーの製造は、以下のプロセスの一部または全部を含むいくつかの加工技術で達成することができる。
開示される実施形態は、ＣＮＴ、ＧＮＰ、フラーレン、および／またはナノダイヤモンドなどのナノ構造添加物を少量、例えば（０．０１～２ｗｔ％）含有するＡｌ ＭＭＣバスバーを製造する方法を含む。これらのバスバーの製造は、以下のプロセスの一部または全部を含むいくつかの加工技術で達成することができる。
Ａｌ－Ｃ ＭＭＣバスバーの最初の調製は、鋳造プロセスによって行うことができる。しかしながら、この方法に関連する課題が存在し得る。例えば、主要な懸念は、炭素が溶融Ａｌから分離し、溶融物の表面に浮遊する可能性があることである。さらに、ナノスケール炭素粒子添加物は、酸素が利用可能であれば液体Ａｌ温度で燃焼する。後者の点に対する１つの相殺要因は、液体ＡｌがＯ２の存在下でＡｌ２Ｏ３を積極的に形成し、したがって、炭素添加物を燃焼させる危険性が低減されることである。しかしながら、代わりに炭化アルミニウムが形成されることがあり、これはＡｌ－Ｃ ＭＭＣの機械的および電気的特性を著しく低下させる可能性がある。
粉末冶金技術は、現在、Ａｌ－Ｃ ＭＭＣ材料を製造する一般的な方法である。このアプローチは、一般的には、Ａｌおよびナノスケール炭素粉末を一緒に混合すること、粉末をボールミル粉砕すること、粉末混合物を圧縮すること、および／または材料を高密度製品に焼結することのいくつかの組み合わせを含む。粉末は、乾燥状態で混合することも、またはスラリーの一部として混合することもでき、その場合、スラリーの溶媒は、圧縮／焼結前に蒸発させる必要がある。微粉末は化学組成によっては可燃性であり得るので、取り扱う際には注意を払うべきである。例えば、Ｔｈｅ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｒｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ（ＮＦＰＡ）規格＃４８４「Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ Ｍｅｔａｌｓ， Ｍｅｔａｌ Ｐｏｗｄｅｒｓ， ａｎｄ Ｍｅｔａｌ Ｄｕｓｔｓ」によれば、４０メッシュ（４２０マイクロメートル）以下の粒径を有するアルミニウム粉末は、火災または爆発の危険をもたらし得る。
Ａｌ－Ｃ ＭＭＣバスバーの製造において、押出し成形はいくつかの目的を達成するために使用することができる。これらの目的の最も基本的なものは、特定の形状および寸法の押出し製品を製造することである。これらの寸法は、バスバーの強度よりもむしろ伸びを重視する場合にはバスバーの目標最終寸法と一致してもよく、または、冷間加工（圧延など）を用いて断面積を目標バスバー寸法まで減少させながら強度を増加する場合には、寸法が過大であってもよい。
サイズおよび形状などの幾何学的な目的に加えて、適切なツールおよびパラメータを用いた押出しは、他の手段によって製造された均質化が不十分なＡｌ－Ｃ供給原料中の炭素添加の均質性を増加させるために使用することができる。この技術を使用してＡｌ－Ｃ ＭＭＣの均質性を増加させることは、強度、熱安定性などの点で性能の有意な改善をもたらすことができる。使用する押出しプロセスに応じて、供給原料材料は、Ａｌ－Ｃロッド、バー、顆粒、圧縮粉末ビレットなどの形態とすることができ、必要に応じて均質性をさらに改善するために押出しプロセスを複数回通過させることを採用することができる。
Ａｌ－Ｃ ＭＭＣに対して圧延および関連するプロセスを実施して、バスバー仕様の目標サイズおよび寸法を達成することができる。このプロセスは、室温で行うことができるが、バスバーの冷間加工による残留応力は一般に伸びを低減し強度を高めるため、最終バスバーの高い伸びが望まれる場合には内部応力を緩和するために高温で行うこともできる（例えば、熱間圧延）。熱間圧延の代わりに、製造後の残留応力を緩和する方法として、冷間圧延後に熱処理を適用することもできる。
自動車内での使用に有用な形状を達成するために、バスバーに対して曲げおよび成形を行うことができる。曲げは、フラットワイズ曲げ、エッジワイズ曲げ、ねじりなどを含むことができる。曲げおよび成形プロセスの容易さは、ＭＭＣに含まれる炭素の構造および量、並びに曲げ時にバスバーに存在する粒径や残留応力の量に依存する。任意の特定のＡｌ－Ｃ ＭＭＣの最適な曲げ能力のために、ＭＭＣをニアネットシェイプ物体として製造することによって冷間加工を回避することによって、または冷間加工手順中に蓄積された応力を緩和するのに十分に高い温度でアニールすることによって、曲げ時の残留応力を最小限に抑えるように注意を払うべきである。しかしながら、残留応力によって提供される強化が最終的なバスバー用途の特性に必要である場合、アニーリングをほとんどまたは全く伴わずに、軽微な曲げを依然として行うことができる。Ａｌ－Ｃ ＭＭＣ材料を用いた新しいバスバー曲げ用途を設定するときには、曲げた部分の亀裂の有無を調査し、亀裂がある場合はアニール量を調整して応力を緩和し、材料の伸びを高めることで亀裂が発生しないようにすることが重要であり得る。
［有意な残留応力のないＡｌ－ＣＮＴ特性の実施例］
（強度および伸び挙動）
図４は、押出されたままの状態のＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴの有益な物理的特性を、押出されたままの状態の純Ａｌの特性と比較して示すグラフである。より具体的には、図４には、およそ１２０ＭＰａのＵＴＳおよびおよそ３５％の伸びを有する、押出されたままの２×２０ｍｍの長方形のＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴバスバーの特性を示す引張試験が含まれる。押出されたままの純粋なＡｌバスバーは、対照的に、およそ５２ＭＰａのＵＴＳおよびおよそ２７％の伸びを示す。Ａｌ－ＣＮＴの２×２０ｍｍの長方形バスバーの押出しは、応力を緩和するために十分に高い温度で行われるので、ＭＭＣは、冷間加工を受けた後に、同様の組成の材料よりも大きい伸びおよび低い強度を有する。この条件では、約１２０ＭＰａのＵＴＳおよび約３０％の伸びを有し、この材料は、小さい内部半径を有する曲げやエッジワイズ（すなわち、ハードウェイ）曲げなどの複雑な形状に成形する必要があるバスバー用途に良好に適合する。この実施例の強度は、冷間加工されたＡｌ－Ｃ ＭＭＣバスバーに対して達成可能なものよりも低いが、約１２０ＭＰａのＵＴＳは、柔らかい状態の多くの一般的なＡｌ導体（例えば、およそ６０ＭＰａのＵＴＳを有するＡｌ－１３５０－Ｏ）よりも依然として高い。
（強度および伸び挙動）
図４は、押出されたままの状態のＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴの有益な物理的特性を、押出されたままの状態の純Ａｌの特性と比較して示すグラフである。より具体的には、図４には、およそ１２０ＭＰａのＵＴＳおよびおよそ３５％の伸びを有する、押出されたままの２×２０ｍｍの長方形のＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴバスバーの特性を示す引張試験が含まれる。押出されたままの純粋なＡｌバスバーは、対照的に、およそ５２ＭＰａのＵＴＳおよびおよそ２７％の伸びを示す。Ａｌ－ＣＮＴの２×２０ｍｍの長方形バスバーの押出しは、応力を緩和するために十分に高い温度で行われるので、ＭＭＣは、冷間加工を受けた後に、同様の組成の材料よりも大きい伸びおよび低い強度を有する。この条件では、約１２０ＭＰａのＵＴＳおよび約３０％の伸びを有し、この材料は、小さい内部半径を有する曲げやエッジワイズ（すなわち、ハードウェイ）曲げなどの複雑な形状に成形する必要があるバスバー用途に良好に適合する。この実施例の強度は、冷間加工されたＡｌ－Ｃ ＭＭＣバスバーに対して達成可能なものよりも低いが、約１２０ＭＰａのＵＴＳは、柔らかい状態の多くの一般的なＡｌ導体（例えば、およそ６０ＭＰａのＵＴＳを有するＡｌ－１３５０－Ｏ）よりも依然として高い。
（導電率）
一例では、いくつかの異なる製造工程で製造された丸ワイヤサンプルで測定された、押し出されたままのＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣの導電率は、一貫して５８％ＩＡＣＳより大きいと測定されている。
一例では、いくつかの異なる製造工程で製造された丸ワイヤサンプルで測定された、押し出されたままのＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣの導電率は、一貫して５８％ＩＡＣＳより大きいと測定されている。
（クリープ挙動）
図５は、Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴバスバーと、比較のためにＡｌ合金Ａ６０６３－Ｔ５バスバーで実施したクリープ試験の結果を示すグラフである。図５は、Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴバスバーに対する初期クリープ試験結果を、Ａ６０６３－Ｔ５バスバーに対する結果と比較してより具体的に示す。いずれの試験も１５０℃で、サンプルが室温降伏強度の８０％まで荷重をかけた状態で行われており、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣバスバーは、改善されたクリープ特性を有することが示される。一例では、過度のコストを回避するために５００時間で試験を中止する前に、Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴでは３次クリープに達しなかった。
図５は、Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴバスバーと、比較のためにＡｌ合金Ａ６０６３－Ｔ５バスバーで実施したクリープ試験の結果を示すグラフである。図５は、Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴバスバーに対する初期クリープ試験結果を、Ａ６０６３－Ｔ５バスバーに対する結果と比較してより具体的に示す。いずれの試験も１５０℃で、サンプルが室温降伏強度の８０％まで荷重をかけた状態で行われており、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣバスバーは、改善されたクリープ特性を有することが示される。一例では、過度のコストを回避するために５００時間で試験を中止する前に、Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴでは３次クリープに達しなかった。
本開示のＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴバスバーは、それらの室温降伏強度の８０％に等しいサンプル荷重で、１５０℃で１００時間クリープ試験したときに、約５％未満、または４％未満、または３％未満、または２％未満、または１％未満の総変位を示すことができる。いくつかの実施形態では、ＭＭＣバスバーは、同じ条件で５００時間クリープ試験したときに、約５％未満、または４％未満、または３％未満、または２％未満、または１％未満の総変位を示すことができる。
［残留応力を付加するための冷間加工後のＡｌ－ＣＮＴ特性の実施例］
（強度および伸び挙動）
図６は、冷間加工が、断面積の減少を伴うＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣワイヤおよびＡｌ丸ワイヤの強度にどのように影響を及ぼすかを示すグラフである。より具体的には、図６は、Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴワイヤおよびＡｌワイヤについて、冷間加工（伸線加工）追加による強度改善のプロットを示す。
（強度および伸び挙動）
図６は、冷間加工が、断面積の減少を伴うＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣワイヤおよびＡｌ丸ワイヤの強度にどのように影響を及ぼすかを示すグラフである。より具体的には、図６は、Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴワイヤおよびＡｌワイヤについて、冷間加工（伸線加工）追加による強度改善のプロットを示す。
これらのデータから、Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣでは、十分な冷間加工面積の減少により、約３３５ＭＰａという高い強度が観察された。対照的に、純Ａｌワイヤは、冷間加工によって初期に強度は増加するが、その速度はＭＭＣと比較していくらか低下する。さらに、純ＡｌワイヤのＵＴＳは、約１４０ＭＰａでプラトーに達した。ＭＭＣの伸びは、冷間加工の全てのレベルにおいて３～５％で一貫したままである。この挙動は、この材料をワイヤではなくバスバー用途に使用した場合でも、著しく変化することはない。面積削減の代替として、断面積を変化させることなく内部応力を印加するプロセス（ＥＣＡＰ等）を用いれば、最終目標寸法かそれに近い寸法で初期生産されたバスバーの強度を増加させることができる。
（導電率）
本実施例において、延伸されたＡｌ－ＣＮＴワイヤの導電率は、５８％ＩＡＣＳ超と冷間加工が適用される前のワイヤと同様の範囲にあることが観察される。
本実施例において、延伸されたＡｌ－ＣＮＴワイヤの導電率は、５８％ＩＡＣＳ超と冷間加工が適用される前のワイヤと同様の範囲にあることが観察される。
（熱安定性）
Ａｌ－Ｃ ＭＭＣ製品の熱安定性を評価するために、ＡＴ４分類（仕様ＩＥＣ６２００４、「架空線導体用の耐熱性アルミニウム合金ワイヤ」に記載されている熱安定性の最高分類）の熱処理を、２種類の異なるレベルの冷間加工（断面積の８５％および９８％の減少）を適用した延伸Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴワイヤに適用する。ＡＴ４の熱安定性を得るには、ワイヤを３１０℃で４００時間、または４００℃で１時間のいずれかで保持した後、それらのＵＴＳの９０％超を維持する必要がある。図７は、２種類の異なるレベルの冷間加工（８５％および９８％の面積減少）を適用した延伸Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴワイヤに対する熱安定性試験の結果を示す。図７に示されるように、延伸Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴワイヤは、両ワイヤともこの試験に容易に合格し、熱安定性を実証した。両ワイヤとも、示された熱処理後も初期ＵＴＳの９０％超を維持しており、それらは、ＩＥＣ ６２００４に記載された熱安定性の最高レベルであるＡＴ４分類に適格である。この挙動はワイヤに特有なものではなく、バスバー用途に拡張することができる。
Ａｌ－Ｃ ＭＭＣ製品の熱安定性を評価するために、ＡＴ４分類（仕様ＩＥＣ６２００４、「架空線導体用の耐熱性アルミニウム合金ワイヤ」に記載されている熱安定性の最高分類）の熱処理を、２種類の異なるレベルの冷間加工（断面積の８５％および９８％の減少）を適用した延伸Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴワイヤに適用する。ＡＴ４の熱安定性を得るには、ワイヤを３１０℃で４００時間、または４００℃で１時間のいずれかで保持した後、それらのＵＴＳの９０％超を維持する必要がある。図７は、２種類の異なるレベルの冷間加工（８５％および９８％の面積減少）を適用した延伸Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴワイヤに対する熱安定性試験の結果を示す。図７に示されるように、延伸Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴワイヤは、両ワイヤともこの試験に容易に合格し、熱安定性を実証した。両ワイヤとも、示された熱処理後も初期ＵＴＳの９０％超を維持しており、それらは、ＩＥＣ ６２００４に記載された熱安定性の最高レベルであるＡＴ４分類に適格である。この挙動はワイヤに特有なものではなく、バスバー用途に拡張することができる。
［Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣ中のＣＮＴの均一な分布を達成する利点の実施例］
（複合押出しプロセスによる均一な分布の達成）
図８には、２つのＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣの微細構造の違いを示す画像が含まれる。１つはＣＮＴの均一な分布が複合押出しプロセスによって達成される前のもの（ＣＮＴ ＭＭＣ ８００）、１つは後のもの（ＣＮＴ ＭＭＣ ８０２）である。ＣＮＴ ＭＭＣ ８００では、多くの大きなＣＮＴの凝集体が、画像中に黒い斑点としてはっきりと見える。したがって、ＣＮＴはマトリックスから大きく分離しており、複合体の機械的特性または熱安定性の改善に寄与していない。押出し加工後、ＣＮＴ ＭＭＣ ８０２では、これらの目に見える大きな黒い斑点の数と大きさは減少したが、測定された炭素含有量は一貫したままであった。この観察および他の観察から、複合押出しプロセスによって、大きなＣＮＴ凝集体が分解され、ＣＮＴがより均一に分布することが明らかである。このことは、本明細書で論じるように、ＣＮＴ ＭＭＣの特性に対していくつかの利点を有する。
（複合押出しプロセスによる均一な分布の達成）
図８には、２つのＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣの微細構造の違いを示す画像が含まれる。１つはＣＮＴの均一な分布が複合押出しプロセスによって達成される前のもの（ＣＮＴ ＭＭＣ ８００）、１つは後のもの（ＣＮＴ ＭＭＣ ８０２）である。ＣＮＴ ＭＭＣ ８００では、多くの大きなＣＮＴの凝集体が、画像中に黒い斑点としてはっきりと見える。したがって、ＣＮＴはマトリックスから大きく分離しており、複合体の機械的特性または熱安定性の改善に寄与していない。押出し加工後、ＣＮＴ ＭＭＣ ８０２では、これらの目に見える大きな黒い斑点の数と大きさは減少したが、測定された炭素含有量は一貫したままであった。この観察および他の観察から、複合押出しプロセスによって、大きなＣＮＴ凝集体が分解され、ＣＮＴがより均一に分布することが明らかである。このことは、本明細書で論じるように、ＣＮＴ ＭＭＣの特性に対していくつかの利点を有する。
このように、材料に複合押出しプロセスを適用した後にＣＮＴの分布が改善されることがわかる。これらの断面顕微鏡写真は、ＣＮＴの均一な分布を達成するために押出しプロセスを追加する前（ＣＮＴ ＭＭＣ ８００）は望ましくないＣＮＴの凝集が高レベルで、追加した後（ＣＮＴ ＭＭＣ ８０２）は望ましくないＣＮＴの凝集が低レベルであるＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣバスバーを示している。目に見える黒い斑点はＣＮＴの凝集体であり、複合押出しプロセス後のこれらの斑点の大きさおよび数密度の顕著な減少は、このプロセスが凝集体を分解してＣＮＴを均一に分布させたことを示す。炭素濃度測定により、これらのＭＭＣの炭素含有量はこの加工によって変化しないことが確認されたため、両者には同量のＣＮＴが存在すると考えられる。
いくつかの実施形態では、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣにおいて、凝集体または粒子の数が最小化され、既存の凝集体を可能な限り小さくすることが望ましい。より少なく、より小さい凝集体の存在は、ＣＮＴがＡｌマトリックス内でより良好に分布していることを示し、機械的特性および熱安定性の点でより多くの利益を提供することができる。Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣ中のＣＮＴ凝集体の統計的分布を、これらの特性の改善の程度と大まかに相関させることが可能である。
図９は、それぞれ約０．５ｗｔ％のＣＮＴを含有する２つのＭＭＣ中のＣＮＴ凝集体のサイズおよび密度に関する詳細な情報を提供する２つのプロットを示す。プロットは、押出し加工の方向に対して垂直な断面を持つサンプルに対して行われた分析の結果を示している。この分析から、ＣＮＴの分布が初期で不十分なＡｌ－ＣＮＴ ＭＭＣに追加の押出し加工を適用すると、ＣＮＴ凝集体の占める断面積の大幅に減少、ならびに直径１μｍ超の凝集体の密度の大幅な減少をもたらすことがわかる。
特に、図９のプロット９００は、平均直径が約１０μｍより大きい凝集体について、初期Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣは断面積内で約１０／ｍｍ２の数密度を有するが、追加加工を行ったＡｌ－ＣＮＴ ＭＭＣは、そのような凝集体について＜１／ｍｍ２の数密度を有することを示す。図９のプロット９００に示すように、初期Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣについて、平均直径が約１μｍより大きいＣＮＴ凝集体が占める総面積分率は約０．００３８または０．３８％であるのに対し、追加の押出し加工を行ったＭＭＣの総ＣＮＴ凝集体面積は約０．０００５または０．０５％である。
大きなＣＮＴ凝集体のサイズと密度が減少することで、Ａｌマトリックス内のＣＮＴの分布がより均一になり、複合体の機械的特性と熱安定性に実質的な利点がもたらされる。均一な分布は、ＣＮＴ凝集体の全体的な面積分率やパーセントによって定義することができるが、ＭＭＣ中の総ＣＮＴ含有量にも依存する。
したがって、一例では、ＣＮＴの均一な分布を有するＡｌ－ＣＮＴ ＭＭＣは、約０．５ｗｔ％のＣＮＴを含み、平均直径が約１μｍ以上の凝集体に対して＜０．３８％のＣＮＴ凝集体面積パーセントを示す。前記Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣの凝集体面積パーセントは、平均直径が約１μｍ以上の凝集体に対して、好ましくは＜０．２０％、より好ましくは＜０．１０％である。
（曲げ挙動）
図１０には、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣバスバーにおけるＣＮＴの均一な分布が曲げ挙動にも有効であることを示す画像が含まれる。より具体的には、図１０は、柔らかい状態（最小残留応力）でフラットワイズ方向に１８０度曲げられたＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣバスバーの画像を示す。画像は、Ａｌ内のＣＮＴの均一な分布を達成するために、追加された押出しステップの前の第１のバスバー１０００ａと、追加された押出しステップの後の第２のバスバー１００２ａとを含む。これらの画像から、ＣＮＴの均一な分布を有することが曲げ挙動を改善することは明らかである。ＣＮＴの均一な分布を欠く第１のバスバー１０００ａは、１８０度のフラットワイズ曲げ後に多数の亀裂を示すが（１０００ｂ参照）、ＣＮＴの均一な分布を達成するための押出しステップの追加以外は第１のバスバー１０００ａと同一である第２のバスバー１００２ａは、亀裂伝播が観察されることなく１８０度の曲げを完了することができる（１００２ｂ参照）。
図１０には、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣバスバーにおけるＣＮＴの均一な分布が曲げ挙動にも有効であることを示す画像が含まれる。より具体的には、図１０は、柔らかい状態（最小残留応力）でフラットワイズ方向に１８０度曲げられたＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣバスバーの画像を示す。画像は、Ａｌ内のＣＮＴの均一な分布を達成するために、追加された押出しステップの前の第１のバスバー１０００ａと、追加された押出しステップの後の第２のバスバー１００２ａとを含む。これらの画像から、ＣＮＴの均一な分布を有することが曲げ挙動を改善することは明らかである。ＣＮＴの均一な分布を欠く第１のバスバー１０００ａは、１８０度のフラットワイズ曲げ後に多数の亀裂を示すが（１０００ｂ参照）、ＣＮＴの均一な分布を達成するための押出しステップの追加以外は第１のバスバー１０００ａと同一である第２のバスバー１００２ａは、亀裂伝播が観察されることなく１８０度の曲げを完了することができる（１００２ｂ参照）。
（熱安定性）
前述の利点に加えて、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣ内のＣＮＴの均一な分布を達成することは、熱安定性を増加させることができる。例えば、図１１は、ＣＮＴの均一な分布を有する異なる冷間加工されたＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣワイヤに対応するサンプル１１０２と比較して、多数の大きな凝集体を有するＣＮＴの劣った分布を有する冷間加工されたＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣワイヤに対応するサンプル１１００の粒径が熱処理によってどのように影響するかを描写するものである。具体的には、図１１は、冷間加工されたＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣワイヤにおける均一なＣＮＴ分布の利点を示す、特有の粒子後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）画像を示す。不十分なＣＮＴ分布を有するサンプル１１００は、初期粒径が大きく、冷間加工（延伸）およびアニーリングの際に不均一かつ過剰な粒子成長をもたらした。均一なＣＮＴ分布を有するサンプル１１０２は、初期粒径が小さく、同じ冷間加工および熱処理を施した場合、サンプル全体にわたって比較的一貫した均質な粒径が維持される。不十分に分散したＣＮＴを有するサンプル１１００では、サンプルのいくつかの領域において抑制されない粒子成長が起こり、一方、他の領域ではこの成長に抵抗する。これは、純Ａｌと同様の熱安定性を有するＣＮＴが比較的少量であるかまたは存在しないＭＭＣ中の領域に起因すると考えられる。この現象は、均一に分布したＣＮＴ含有量を有するサンプル１１０２（例えば、同じＣ含有量を有するより小さい／より少ないＣＮＴ凝集体）では観察されない。
前述の利点に加えて、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣ内のＣＮＴの均一な分布を達成することは、熱安定性を増加させることができる。例えば、図１１は、ＣＮＴの均一な分布を有する異なる冷間加工されたＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣワイヤに対応するサンプル１１０２と比較して、多数の大きな凝集体を有するＣＮＴの劣った分布を有する冷間加工されたＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣワイヤに対応するサンプル１１００の粒径が熱処理によってどのように影響するかを描写するものである。具体的には、図１１は、冷間加工されたＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣワイヤにおける均一なＣＮＴ分布の利点を示す、特有の粒子後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）画像を示す。不十分なＣＮＴ分布を有するサンプル１１００は、初期粒径が大きく、冷間加工（延伸）およびアニーリングの際に不均一かつ過剰な粒子成長をもたらした。均一なＣＮＴ分布を有するサンプル１１０２は、初期粒径が小さく、同じ冷間加工および熱処理を施した場合、サンプル全体にわたって比較的一貫した均質な粒径が維持される。不十分に分散したＣＮＴを有するサンプル１１００では、サンプルのいくつかの領域において抑制されない粒子成長が起こり、一方、他の領域ではこの成長に抵抗する。これは、純Ａｌと同様の熱安定性を有するＣＮＴが比較的少量であるかまたは存在しないＭＭＣ中の領域に起因すると考えられる。この現象は、均一に分布したＣＮＴ含有量を有するサンプル１１０２（例えば、同じＣ含有量を有するより小さい／より少ないＣＮＴ凝集体）では観察されない。
粒子が障害なく自由に成長する内部領域を有する結果として、不十分に分散されたＣＮＴを有するＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴサンプル１１００の熱機械的特性は、均一に分布されたＣＮＴを有するＡｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴサンプル１１０２の熱機械的特性よりも著しく熱安定性が低い。例えば、図１２は、不十分なＣＮＴ分布を有するＡｌ－ＣＮＴ ＭＭＣがＩＥＣ６２００４によるＡＴ４基準を満たさないのに対して、均一なＣＮＴ分布を有するサンプルはＡＴ４基準を満たすことを示している（試験の説明については、先の熱安定性の項および図７を参照）。
より具体的には、図１２のプロットでは、不十分なＣＮＴ分布を有する延伸Ａｌ－０．５ｗｔ％ＣＮＴ ＭＭＣワイヤの熱安定性を、均一なＣＮＴ分布を有するものと比較する。図７のように、サンプルは、タイプＡＴ４材料の熱安定性要件を満たすために、特定の熱処理後にそれらの初期ＵＴＳの９０％超を維持する必要がある。不十分に分布したＣＮＴを有するサンプルは、この測定基準に合格しない。このように、この比較は、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣがその完全な可能性を達成するために、ＣＮＴ凝集体を分解し、Ａｌ－ＣＮＴ ＭＭＣ中にＣＮＴの均一な分布を有することの重要性を強調する。
［実施形態］
開示される実施形態は、配電用途（例えば、自動車用途）のために構成されたバスバーを含む。バスバーは、ある濃度（例えば、量）のナノスケール炭素粒子を有するＡｌ－ＭＭＣを含むことができる。ナノスケール炭素粒子の濃度は、０．０１～２重量パーセント（ｗｔ％）、例えば０．１～１ｗｔ％、または例えば０．２～０．８ｗｔ％、または例えば０．２５～０．７５ｗｔ％、または例えば０．４～０．６ｗｔ％の範囲であることができる。ナノスケール炭素粒子は、Ａｌ－ＭＭＣの全体にわたって均一に分散している。
開示される実施形態は、配電用途（例えば、自動車用途）のために構成されたバスバーを含む。バスバーは、ある濃度（例えば、量）のナノスケール炭素粒子を有するＡｌ－ＭＭＣを含むことができる。ナノスケール炭素粒子の濃度は、０．０１～２重量パーセント（ｗｔ％）、例えば０．１～１ｗｔ％、または例えば０．２～０．８ｗｔ％、または例えば０．２５～０．７５ｗｔ％、または例えば０．４～０．６ｗｔ％の範囲であることができる。ナノスケール炭素粒子は、Ａｌ－ＭＭＣの全体にわたって均一に分散している。
ナノスケール炭素粒子は、単層カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、多層ＣＮＴ、グラフェンナノプレートレット（ＧＮＰ）、フラーレン、ナノダイヤモンド、および／または主にｓｐ２もしくはｓｐ３炭素を有するナノ粒子を含むことができる。一例では、ナノスケール炭素粒子は、ＣＮＴ、ＧＮＰ、フラーレン、ナノダイヤモンド、および主にｓｐ２もしくはｓｐ３炭素を有するナノ粒子からなる群から選択される粒子の混合物を含む。
一例では、バスバーは、５０％超の国際軟銅規格（ＩＡＣＳ）導電率、８０ＭＰａ超の極限引張強さ（ＵＴＳ）、および１０％超の伸びを有することができる。例えば、バスバーは、５０％超、または５５％超、または５８％超のＩＡＣＳ導電率、１２０ＭＰａ超のＵＴＳ、および３０％超の伸びを有する。他の範囲には、５０％超、または５５％超、または５８％超のＩＡＣＳ導電率、２００ＭＰａ超のＵＴＳ、および１％超の伸びが含まれる。さらに別の例では、バスバーは、５０％超、または５５％超、または５８％超のＩＡＣＳ導電率、３００ＭＰａ超のＵＴＳ、および３％超の伸びを有する。
開示される実施形態はまた、ＭＭＣコンポーネント（例えば、Ａｌ－Ｃ ＭＭＣバスバー）中のナノスケール炭素粒子の均一な分布を達成するためのプロセスを含む。このプロセスは、金属マトリックスおよびナノスケール炭素粒子を含むＭＭＣ供給原料材料を得るステップと、ＭＭＣ供給原料材料を固相変形プロセスによって処理するステップとを含むことができる。このように、ＭＭＣコンポーネントは、例えば０．０１～２ｗｔ％の濃度範囲でナノスケール炭素粒子の均一な分布を有することができる。固相変形プロセスの例としては、押出しプロセスおよび／またはＥＣＡＰプロセスが挙げられる。
以上より、本発明の特定の実施形態が、例示の目的のために本明細書中に記載されているが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であることが理解されるであろう。
Claims (21)
- 配電用途のために構成されたバスバーであって、
０．０１～２重量パーセント（ｗｔ％）の濃度のナノスケール炭素粒子を含むアルミニウム（Ａｌ）金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）（Ａｌ－ＭＭＣ）を含み、
前記ナノスケール炭素粒子が、前記Ａｌ－ＭＭＣの全体にわたって均一に分布している、バスバー。 - 前記ナノスケール炭素粒子の濃度が、０．１～１ｗｔ％の範囲である、請求項１に記載のバスバー。
- 前記ナノスケール炭素粒子の濃度が、０．２～０．８ｗｔ％の範囲である、請求項１に記載のバスバー。
- 前記ナノスケール炭素粒子が、単層カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む、請求項１に記載のバスバー。
- 前記ナノスケール炭素粒子が、多層ＣＮＴを含む、請求項１に記載のバスバー。
- 前記ナノスケール炭素粒子が、グラフェンナノプレートレット（ＧＮＰ）、フラーレン、ナノダイヤモンド、またはそれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載のバスバー。
- 前記ナノスケール炭素粒子が、主にｓｐ２またはｓｐ３炭素を有するナノ粒子を含む、請求項１に記載のバスバー。
- 前記ナノスケール炭素粒子が、ＣＮＴ、ＧＮＰ、フラーレン、ナノダイヤモンド、主にｓｐ２またはｓｐ３炭素を有するナノ粒子、およびそれらの任意の組合せからなる群から選択される、請求項１に記載のバスバー。
- 前記バスバーが、５０％超の国際軟銅規格（ＩＡＣＳ）導電率、８０ＭＰａ超の極限引張強さ（ＵＴＳ）、および１０％超の伸びを有する、請求項１～８のいずれか一項に記載のバスバー。
- 前記バスバーが、５０％超のＩＡＣＳ導電率、１２０ＭＰａ超のＵＴＳ、および３０％超の伸びを有する、請求項９に記載のバスバー。
- 前記バスバーが、５０％超のＩＡＣＳ導電率、２００ＭＰａ超のＵＴＳ、および１％超の伸びを有する、請求項１～８のいずれか一項に記載のバスバー。
- 前記バスバーが、５０％超のＩＡＣＳ導電率、３００ＭＰａ超のＵＴＳ、および３％超の伸びを有する、請求項１１に記載のバスバー。
- 前記バスバーを４００℃で１時間または３１０℃で４００時間のいずれかで加熱した後、前記バスバーのＵＴＳが、加熱前のそのＵＴＳの少なくとも９０％である、請求項１～８のいずれか一項に記載のバスバー。
- 室温降伏強度の８０％の印加荷重による１５０℃で１００時間のクリープ試験後に、前記バスバーが５％未満の総変位を示す、請求項１～８のいずれか一項に記載のバスバー。
- 室温降伏強度の８０％の印加荷重による１５０℃で５００時間のクリープ試験後に、前記バスバーが５％未満の総変位を示す、請求項１４に記載のバスバー。
- 前記配電用途が自動車用途である、請求項１～８のいずれか一項に記載のバスバー。
- 前記バスバーは、最大約０．５ｗｔ％の総炭素含有量と、約１μｍより大きい炭素粒子の総面積分率が約０．３８％未満である炭素の均一な分布とを有する、請求項１６に記載のバスバー。
- 金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）コンポーネントの全体にわたってナノスケール炭素粒子の均一な分布を達成するための方法であって、
金属マトリックスおよびナノスケール炭素粒子を含む金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）供給原料材料を得るステップと、
前記ＭＭＣ供給原料材料を固相変形プロセスによって処理して、ＭＭＣコンポーネントの全体にわたってナノスケール炭素粒子の均一な分布を有するＭＭＣコンポーネントを形成するステップ
とを含む、方法。 - 前記固相変形プロセスが、押出しプロセスを含む、請求項１８に記載の方法。
- 前記固相変形プロセスが、等チャネル角プレス（ＥＣＡＰ）プロセスを含む、請求項１８に記載の方法。
- 前記ＭＭＣ供給原料材料がアルミニウム（Ａｌ）ＭＭＣ供給原料材料である、請求項１８～２０のいずれか一項に記載の方法。
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