JP4343631B2 - 炭素繊維強化アルミニウム基複合材料 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を基材とし、基材中に金属被覆炭素繊維を混在させることによって強化した炭素繊維強化アルミニウム基複合材料に関する。

素材の軽量化かつ高強度化が実現されることによって、たとえば建築素材であれば、構築物を高層化して土地を有効活用することが可能になり、また車両、航空機などの素材であれば燃料の節約が可能になることから、種々の試みがなされている。

素材と素材とを複合させた材料による軽量化かつ高強度化も試みの一つであり、たとえば繊維強化プラスチック（略称ＦＲＰ）などが良く知られている。一般的なＦＲＰは、エポキシ樹脂をマトリックス（基材）とし、基材中に炭素繊維などの強化用繊維を混在させたものである。しかしながら、エポキシ樹脂を基材とするＦＲＰは、耐熱温度が約２００℃と低いので、常温での用途、たとえば貯水槽などの用途では問題が無いけれども、自動車の高温度に曝される部材のような用途には適用できないという問題がある。

このような問題に対して、ポリエーテルエーテルケトンまたはポリイミドなどの熱可塑性プラスチックを基材とすることによって、耐熱温度を高めたＦＲＰがあるけれども、その耐熱温度は高々４００℃程度であり、耐熱温度を高めることによって成形が難しくなり、また樹脂が高価なので汎用性に劣るという問題がある。

したがって、自動車の高温度に曝される部材のような用途を対象として、金属を基材とする複合材料の開発が試みられ、基材用の金属の中でも、比重が小さく軽量化に適すること、また加工性、耐食性、熱伝導性に優れることから、アルミニウムが注目されている。しかしながら、基材であるアルミニウム中に、たとえばＰＡＮ系炭素繊維などの炭素繊維を加えると、アルミニウムと炭素繊維とが反応し、アルミニウムと炭素との化合物である炭化アルミニウム（おそらくＡｌ_４Ｃ_３および／またはＡｌ_２Ｃ_２と推定される）が形成されるので、炭素繊維の強度が著しく低下し、強化材としての機能を発揮し得なくなるという問題がある。

このような問題を解決する従来技術に、炭素繊維の表面にフッ化物基の溶融塩凝固層を形成またはフッ化物基の層を付着形成させて、アルミニウムと炭素との化合物形成を阻害しかつアルミニウムに対して良好な濡れ性を発現させるもの（たとえば、特許文献１参照）がある。また他の従来技術に、炭素繊維の表面に二酸化ケイ素層を形成し、アルミニウムに対して良好な濡れ性を発現させるもの（たとえば、特許文献２参照）がある。

しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示される技術は、炭素繊維表面に、炭素繊維表面よりも表面粗度の大きい被覆層を設け、アルミニウムとの接触面積を増加させることによって、炭素繊維とアルミニウムとの濡れ性を向上させているに過ぎず、炭素繊維とアルミニウムとの界面の結合状態を改善するものではない。また、炭素繊維、炭素繊維の表面に設けられる被覆層および基材であるアルミニウムまたはアルミニウム合金の熱膨張率は大きく異なることが多いので、その場合には、炭素繊維と被覆層との間および被覆層と基材との界面で剥離が生じ易い。したがって、前述の自動車部材の高温度に曝される用途のように、従来鉄系合金の素材が用いられている部材用途の代替とするに充分な強度を実現するのは困難であるという問題がある。

特開平５−１２５６６２号公報 特開２００２−５９２５７号公報

本発明の目的は、強化材として表面に金属層を有する炭素繊維を含む炭素繊維強化アルミニウム基複合材料であって、数百度またはそれ以上の高温に晒されても、金属材料と同等またはそれ以上の高い機械的強度を示す炭素繊維強化アルミニウム基複合材料を提供することである。

本発明者らは、（１）炭素繊維の表面に複数の金属層の積層構造からなる被覆層を形成し、（２）炭素繊維に接する金属層を、炭素と健全な固溶体（界面剥離を起こし難い強固で均一な固溶体）を形成する第１の金属によって構成し、（３）炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の基材であるアルミニウムまたはアルミニウム合金と接する金属層を、第１の金属と、前記基材と健全な固溶体を形成する第２の金属とを含み、第１の金属と第２の金属との組成比が遷移的に変化するように構成する場合には、炭素繊維とそれに接する金属層との界面から、基材とそれに接する金属層との界面まで、物性の急激な変化がない連続層が形成され、傾斜界面が実現されるので、炭素繊維と基材との結合強度を高めることができることに着目し、本発明に至ったものである。

すなわち本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を基材とし、基材中に金属被覆炭素繊維を混在させることによって強化した炭素繊維強化アルミニウム基複合材料において、
金属被覆炭素繊維は、
炭素繊維の表面に接して形成されるニッケルまたはニッケル合金を含む第１層と、
第１層の表面に接して形成されるニッケルと銅とを含む金属層であって、ニッケルと銅との組成比が連続的または段階的に変化する組成遷移層である第２層とを含んで構成される被覆層を有する金属被覆炭素繊維であることを特徴とする炭素繊維強化アルミニウム基複合材料である。

また本発明は、金属被覆炭素繊維が、
炭素繊維の表面に接して形成されるニッケルまたはニッケル合金を含む第１層と、
第１層の表面に接して形成されるニッケルと銅とを含む金属層であって、ニッケルと銅との組成比が連続的または段階的に変化する組成遷移層である第２層と、
第２層の表面に接して形成される銅または銅合金を含む第３層とを含んで構成される被覆層を有する金属被覆炭素繊維であることを特徴とする炭素繊維強化アルミニウム基複合材料である。

また本発明は、第３層におけるニッケルと銅との組成比は、第１層から層厚方向へ遠ざかるのに伴って、銅の組成割合が大きくなるように遷移することを特徴とする。

また本発明は、金属被覆炭素繊維の被覆層が、めっきによって形成されることを特徴とする。

また本発明は、金属被覆炭素繊維は、被覆層が形成された後、非酸化性雰囲気下において５００℃以上、１０００℃以下で加熱処理されることを特徴とする。

また本発明は、金属被覆炭素繊維が、非酸化性雰囲気下において、溶融状態にあるアルミニウムまたはアルミニウム合金中へ装入されることによって形成されることを特徴とする。

また本発明は、金属被覆炭素繊維の含有量が、体積％で５％以上、７０％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、炭素繊維が複数層、少なくとも２層の金属層によって被覆される。金属被覆炭素繊維の第１層に含まれるニッケルまたはニッケル合金が、炭素繊維を構成する炭素と固溶体を形成するので、結合強度に優れた炭素繊維と第１層との界面が形成される。また、第２層は、ニッケルと銅との組成比がなだらかな勾配で連続的または段階的に変化する組成遷移層であり、好ましくは銅の組成割合が、第１層から層厚方向へ遠ざかるに伴って、大きくなるように遷移するので、第２層の基材に接する面では銅の割合が多くなり、この銅が基材であるアルミニウムまたはアルミニウム合金と固溶体を形成し、結合強度に優れた第２層と基材との界面が形成される。

さらに、第２層の表面に、銅または銅合金から構成される第３層を設けることによって、第２層表面にニッケルよりも多く露出した銅と第３層の銅または銅合金とが固溶体を形成し、第３層の銅または銅合金と基材とが固溶体を形成するので、炭素繊維が基材中にさらに強固に固定化される。

このよう炭素繊維と第１層との界面から、基材と第２層または第３層との界面まで、急激な物性変化を伴わない連続層および該連続層の間の連続界面、いわゆる傾斜界面を形成することができるので、界面の結合強度が著しく高められ、基材であるＡｌと強化材である炭素繊維との剥離が生じにくくなり、軽量かつ高強度の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料が実現される。

また本発明によれば、金属被覆炭素繊維の被覆層が、めっきによって形成される。めっきは、大型の設備を必要とすることなく実施することのできる被覆層形成手段である。まためっきは、炭素繊維を被覆する層の厚みおよび層の成分組成を容易に制御することが可能である。したがって、めっきによれば、低コストで精度高く金属被覆炭素繊維を形成することができる。

また本発明によれば、金属被覆炭素繊維は、被覆層が形成された後、非酸化性雰囲気下において５００℃以上、１０００℃以下で加熱処理されるので、炭素繊維と第１層との界面、アルミニウムと第２層または第３層との界面および層中の固溶体形成が確実に行われる。このことによって、界面および層中の物性変化の度合いが一層緩和されて結合強度が向上するので、アルミニウムと炭素繊維との剥離が一層抑制されて炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の強度が向上する。

また本発明によれば、炭素繊維強化アルミニウム基複合材料は、金属被覆炭素繊維が、非酸化性雰囲気下において、溶融状態にあるアルミニウムまたはアルミニウム合金中へ装入されることによって形成される。このことによって、少なくともアルミニウムの融点以上の高温下で、銅とアルミニウムとが相互拡散して固溶体を形成するので、第２層または第３層とアルミニウムとの結合強度を向上することが可能になる。

また本発明によれば、金属被覆炭素繊維の含有量が好適範囲に設定されるので、優れた強度を有する炭素繊維強化アルミニウム基複合材料が実現される。

本発明の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料は、基材中に金属被覆炭素繊維を含有するものである。

図１は、本発明の第１の実施形態である炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の構成を模式的に示す要部断面図である。

炭素繊維強化アルミニウム基複合材料１は、基材２中に、金属被覆炭素繊維３を含んで構成される。金属被覆炭素繊維３は、炭素繊維４の表面に金属層５が形成されたものであり、金属層５は、炭素繊維４の表面に形成される第１層６と、第１層６の表面に形成される第２層７とを含んで構成される。炭素繊維４と第１層６との界面には、固溶体層９ａが形成される。第１層６と第２層７との界面には、固溶体層９ｂが形成される。第２層７と基材２との界面には、固溶体層９ｃが形成される。炭素繊維４、第１層６、第２層７および基材２はそれぞれの界面に形成される固溶体層９ａ，９ｂ，９ｃによって強固に結合されるので、炭素繊維４が基材２に安定的に固定化され、炭素繊維４が持つ機械的強度の向上効果が充分に発揮される。

図２は、本発明の第２の実施形態である炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の構成を模式的に示す要部断面図である。

炭素繊維強化アルミニウム基複合材料１０は、基材２中に、金属被覆炭素繊維１１を含んで構成される。金属被覆炭素繊維１１は、炭素繊維４の表面に金属層１２が形成されたものであり、金属層１２は、炭素繊維４の表面に形成される第１層６と、第１層６の表面に形成される第２層７と、第２層７の表面に形成される第３層１２とを含んで構成される。炭素繊維４、第１層６および第２層７のそれぞれの界面には、金属被覆炭素繊維３と同様に、固溶体層９ａ，９ｂが形成される。さらに、第２層７と第３層１２との界面には固溶体層９ｄが、第３層１２と基材２との界面には固溶体層９ｅがそれぞれ形成される。炭素繊維４、第１層６、第２層７、第３層８および基材２は、固溶体層９ａ，９ｂ，９ｄ，９ｅを介して強固に結合するので、炭素繊維４が基材２に安定的に固定化され、炭素繊維４が持つ機械的強度の向上効果が充分に発揮される。

基材２は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。アルミニウム合金としては公知のものを使用でき、たとえば、アルミニウム−銅、アルミニウム−亜鉛、アルミニウム−マンガン、アルミニウム−マグネシウム、アルミニウム−マグネシウム−マンガン、アルミニウム−マグネシウム−珪素、アルミニウム−珪素、アルミニウム−銅−マグネシウム、アルミニウム−亜鉛−マグネシウム、アルミニウム−亜鉛−マグネシウム−銅などが挙げられる。基材２は得られる炭素繊維強化アルミニウム基複合材料１０の用途などに応じて適宜選択される。

金属被覆炭素繊維３，１１の芯材である炭素繊維４としては公知のものを使用でき、たとえば、ピッチ系炭素繊維、液晶系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、気相成長系炭素繊維などが挙げられる。これらの中でも、引張強度、引張弾性率などを考慮すると、ピッチ系炭素繊維、ＰＡ系炭素繊維、気相成長系炭素繊維などが好ましい。炭素繊維は１種を単独で使用できまたは２種以上を併用できる。炭素繊維の繊維径は特に制限されず広い範囲から適宜選択できるけれども、通常は０．１〜３０μｍ程度、好ましくは３〜１０μｍ程度である。このような繊維径の炭素繊維の中でも、繊維長さＬに対する繊維径Ｄの比（Ｄ／Ｌ）が１／１０００００以下のものが好ましい。これによって、基材中における金属被覆炭素繊維の配向性を高めることができるので、本発明の炭素繊維強化アルミニウム複合材料の機械的強度をさらに高めることができる。

また、前述の炭素繊維を複数のフィラメントからなるフィラメント糸とし、このフィラメント糸を公知の方法に従って開繊処理した炭素繊維開繊糸を用いることができる。炭素繊維開繊糸におけるフィラメント数は特に制限されず広い範囲から適宜選択できるけれども、通常は１０００〜５００００程度、好ましくは１２０００〜４８０００程度である。炭素繊維開繊糸の幅の広さは特に制限されず、広い範囲から適宜選択できるけれども、通常はその断面の巾が８〜６０ｍｍ、好ましくは１０〜５０ｍｍであり、開繊度（開繊糸断面の厚み／開繊糸断面の巾）が通常０．０５以下、好ましくは０．０１以下、より好ましくは０．０００５〜０．０１である。市販の炭素繊維開繊糸を用いてもよく、たとえば、トレカ（登録商標、東レ（株）製）、パイロフィル（登録商標、三菱レーヨン（株）製）、ベスファイト（登録商標、東邦レーヨン（株）製）、グラノック（登録商標、日本グラファイトファイバー（株）製）などが挙げられる。

さらに、炭素繊維からなる織物、不織布などを用いてもよい。不織布には、一方向布帛などが含まれる。一方向布帛は、たとえば、一方向強化繊維シート、一方向性強化繊維材などとも呼ばれている。

炭素繊維からなる織物としては特に制限されず、たとえば、目付けが通常５０〜３２０ｇ／ｍ^２、好ましくは７０〜３００ｇ／ｍ^２であり、厚みが通常０．０２〜０．８ｍｍ、好ましくは０．０８〜０．２ｍｍのものが使用される。

炭素繊維からなる一方向布帛としては特に制限されず、たとえば、目付けが通常２０〜１２５ｇ／ｍ^２、好ましくは３０〜８５ｇ／ｍ^２、厚みが通常０．０１〜０．２ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．１ｍｍのものが使用される。

これらの中でも、得られる炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の機械的強度などを考慮すると、炭素繊維開繊糸、炭素繊維開繊糸からなる織物、不織布などが好ましく、炭素繊維開繊糸からなる織物、不織布などが特に好ましい。

炭素繊維４の表面に被覆される第１層６は、ニッケルまたはニッケル合金、好ましくはニッケルを含む金属層である。ニッケル合金としては公知のものを使用でき、たとえば、ニッケル−銅、ニッケル−クロム、ニッケル−鉄、ニッケル−リンなどが挙げられる。ニッケル合金は１種を単独で使用できまたは必要に応じて２種以上を併用できる。

第１層６の表面に形成される第２層７は、ニッケルと銅とを含み、ニッケルと銅との組成比が異なる薄層が多数積層されて構成される金属層である。各薄層におけるニッケルと銅との組成比は、連続的または段階的に変化する。好ましくは、第１層６から層厚方向に遠ざかるに伴って、銅の組成割合が大きくなるように変化するのが好ましい。すなわち、第１層６に近づくほど、ニッケルの組成割合が大きくなるように変化し、かつ基材２または第３層１２に近づくほど、銅の組成割合が大きくなるように変化するのが好ましい。

金属被覆炭素繊維１１において、第２層７の表面に形成される第３層８は、銅または銅合金を含み、好ましくは銅を含む金属層である。銅合金としては公知のものを使用でき、たとえば、銅−銀、銅−カドミウム、銅−クロム、銅−ベリリウム、銅−アルミニウム、銅−ニッケルなどが挙げられる。

炭素繊維４に金属層５，１２を形成する方法は特に制限されず、たとえば、溶媒中にて炭素繊維と金属含有化合物とを反応させる溶液反応法（ゾル−ゲル法）、炭素繊維と金属含有化合物とを混合し、この混合物を酸化性雰囲気中で加熱処理する方法、めっき法などが挙げられる。これらの中でも、特に第２層７における組成変化の連続性を高め、一層良好な傾斜界面を有する金属層５を形成することを考慮すると、めっき法が好ましい。

金属被覆炭素繊維３，１１の金属層５，１２は、めっき法によれば、たとえば次のようにして形成することができる。

第１層６は、炭素繊維４の表面にニッケルめっきまたはニッケル合金めっきを施すことによって形成することができる。ニッケルめっきおよびニッケル合金めっきは、電解めっきおよび無電解めっきのいずれでも行うことができるけれど、単位時間あたりに得られる金属層の厚みを大きくするというめっき効率を考慮すると、電解めっきを実施するのが好ましい。ニッケルめっき浴としては公知のものを使用でき、たとえば、ニッケル塩とともに、必要に応じて還元剤、錯化剤、ｐＨ調整剤、ｐＨ緩衝剤、安定剤、応力緩和剤などを含む水溶液が挙げられる。ニッケル塩としてはこの分野で常用されるものを使用でき、たとえば、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、硝酸ニッケル、炭酸ニッケル、スルファミン酸ニッケル、蟻酸ニッケル、酢酸ニッケル、蓚酸ニッケル、メタンスルホン酸ニッケル、２−ヒドロキシプロパンスルホン酸ニッケル、フェノールスルホン酸ニッケル、ホウフッ化ニッケルなどが挙げられる。還元剤としては公知のものを使用でき、たとえば、次亜リン酸ナトリウムなどのリン系還元剤、ジメチルアミンボランなどのホウ素系還元剤などが挙げられる。錯化剤としても公知のものを使用でき、たとえば、ピロリン酸、クエン酸、乳酸、エチレンジアミン四酢酸などの有機酸およびそれらの塩、グリシンなどが挙げられる。ｐＨ緩衝剤としても公知のものを使用でき、たとえば、ホウ酸などが挙げられる。このようなニッケルめっき浴の具体例としては、たとえば、ワット浴、スルファミン酸浴、ピロリン酸銅浴などが挙げられる。ニッケル合金めっき浴としては、たとえば、前記のニッケルめっき浴に、ニッケルと合金化することができる金属を含有する化合物から選ばれる１種または２種以上を添加したものが挙げられる。ニッケルと合金化できる金属を含有する化合物としては特に制限されず、たとえば、銅、クロム、鉄、リンなどを含有する化合物が挙げられる。電解めっきは、たとえばワット浴の場合は、めっき浴温度４０〜６０℃程度およびめっき浴ｐＨ３〜５程度において、電流密度が０．１〜１００Ａ／ｄｍ^２になるように通電することにより実施される。なお、第１層６であるめっき皮膜を形成する素材として、炭素繊維を含む織物、一方向布帛などを用いる場合は、均一で炭素繊維との接合強度の高いめっき皮膜を形成するために、これらの表面に付着したサイズ剤をメチルエチルケトン、アセトンなどの有機溶媒によって除去するのが好ましい。

第２層７は、第１層６の表面に銅−ニッケルめっきを施すことによって形成することができる。銅−ニッケルめっきも、電解および無電解のいずれの方法でも実施できるけれども、めっき効率を考慮すると、電解めっきが好ましい。銅−ニッケルめっき浴としては公知のものを使用でき、ニッケル塩および銅塩とともに、錯化剤、ｐＨ調整剤、還元剤、ｐＨ緩衝剤などを含む水溶液が挙げられる。ニッケル塩としては前記のものと同様のものを使用できる。銅塩としては、この分野で常用されるものを使用でき、たとえば、ピロリン酸銅、硫酸銅、シアン銅、塩化第２銅、硝酸銅、塩基性炭酸銅、スルファミン酸銅、酢酸銅、蓚酸銅、メタンスルホン酸銅、２−ヒドロキシプロパンスルホン酸銅、フェノールスルホン酸銅、ホウフッ化銅などが挙げられる。錯化剤としては公知のものを使用でき、たとえば、ピロリン酸、酒石酸、エチレンジアミンテトラ酢酸などが挙げられる。ｐＨ調整剤としても公知のものを使用でき、たとえば、アンモニウム塩、水酸化ナトリウムなどが挙げられる。還元剤としては、たとえば、ホルムアルデヒドなどが挙げられる。ｐＨ緩衝剤としても公知のものを使用でき、たとえば、四硼酸などが挙げられる。さらに銅−ニッケルめっき浴には、浴安定剤、光沢剤などが含まれてもよい。銅−ニッケルめっき浴の具体例としては、たとえば、ピロリン酸銅浴が挙げられる。電解めっきは、第１層６のニッケルめっきまたはニッケル合金めっきと同様に行われる。たとえばピロリン酸銅浴の場合には、めっき浴温度４０〜６０℃程度およびめっき浴ｐＨ８〜１０程度において、電流密度が０．１〜１００Ａ／ｄｍ^２になるように通電することにより実施される。第２層７を銅とニッケルとの組成比が異なる複数の薄層の積層体として形成するには、めっき条件を適宜変更しながらめっきを行えばよい。たとえば、めっき開始時のめっき浴には銅塩を添加せず、一定時間毎に一定量の銅塩をめっき浴に添加することによって、第１層６に近いほどニッケルの組成割合が大きくかつ基材２または第３層８に近いほど銅の組成割合が大きくなる第２層７が形成される。

第３層８は、第２層７の表面に銅または銅合金めっきを施すことによって形成することができる。銅めっきおよび銅合金めっきも、第１層６および第２層７の形成と同様に。電解および無電解のいずれの方法でも実施できるけれども、めっき効率を考慮すると、電解めっきが好ましい。銅めっき浴としては公知のものを使用でき、銅塩とともに、錯化剤、ｐＨ調整剤、還元剤、ｐＨ緩衝剤などを含む水溶液が挙げられる。銅塩、錯化剤、ｐＨ調整剤、還元剤およびｐＨ緩衝剤には、第２層７の形成に用いられる銅−ニッケルめっき浴と同様のものを使用できる。銅めっき浴の具体例としては、硫酸銅浴、シアン銅浴、ピロリン酸銅などが挙げられる。銅合金めっき浴としては、たとえば、前記の銅めっき浴に、銅と合金化することができる金属を含有する化合物から選ばれる１種または２種以上を添加したものが挙げられる。銅と合金化できる金属を含有する化合物としては特に制限されず、たとえば、銀、カドミウム、クロム、ベリリウム、コバルト、亜鉛、錫、ニッケルなどを含有する化合物が挙げられる。電解めっきは、公知の電解銅めっきまたは電解銅合金めっきと同様に実施できる。

このようにして、炭素繊維４の表面に、２層または３層からなる金属層５，１２が形成される。

本発明では、上記で得られた金属被覆炭素繊維３，１１を加熱処理してもよい。加熱処理は、アルゴンガス、窒素ガスなどの非酸化性雰囲気中にて、５００〜１０００℃の温度下に行われ、１５〜２００分程度で終了する。加熱処理することによって、炭素繊維４と金属層５，１２との界面および金属層５，１２中で固溶体形成が確実に行われ、炭素繊維４と金属層５，１２との剥離が一層抑制される。その結果、本発明複合材料における基材２であるアルミニウムまたはアルミニウム合金を金属被覆炭素繊維３，１１からなる予備成形体に含浸させる際に、該基材２と、金属被覆炭素繊維３，１１の金属層５，１２の第２層７を構成する銅−ニッケル合金または第３層８を構成する銅もしくは銅合金とが、固溶体を形成して強固に結合するとともに、炭素繊維４と金属層５，１２との剥離も起こらないので、炭素繊維４が基材２中に安定に保持され、炭素繊維４による補強効果が充分に発現される。

この金属被覆炭素繊維を用いて本発明の複合材料を製造するに際しては、まず、予備成形体を作成する。たとえば、金属被覆炭素繊維を経糸および／または緯糸に用いて製織し、得られる織物を予備成形体として使用することができる。製織は、たとえば、レピア織機、シャトル織機、グリッパ織機、ジェット織機などの公知の織機を用いて行われる。また、金属被覆炭素繊維を隣同士が重なり合うように一方向に引き揃えて一方向布帛などの不織布を作成し、これを予備成形体として用いることができる。織物および不織布の目付けおよび厚みは、前述の炭素繊維の織物および不織布と同程度でよい。

また、金属被覆炭素繊維を用い、溶湯鍛造法において予備成形体を作成するための一般的な方法に従って予備成形体を作成してもよい。たとえば、金属被覆炭素繊維、ポリビニルアルコールなどのバインダ、シリカゾルなどの賦形剤、水などの適量を混合し、得られるスラリーを成形用型に入れて所定の形状に加圧成形し、必要に応じて乾燥することにより、予備成形体を得ることができる。このとき、各成分の使用量は特に制限されず、金属被覆炭素繊維の繊維径および繊維長、得ようとする炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の用途などに応じて広い範囲から適宜選択できるけれども、バインダの使用量は、金属被覆炭素繊維全量の１〜３体積％程度にするのが好ましい。

炭素繊維開繊糸からなる織物、不織布などに金属層を被覆した場合には、そのまま、予備成形体として使用できる。

なお、本発明において使用する予備成形体には、その好ましい特性を損なわない範囲で、金属が被覆されない炭素繊維、チタン酸カリウム繊維、ホウ酸アルミニウム繊維、ホウ酸マグネシウム繊維などのその他の無機強化繊維などが含まれていてもよい。

このようにして得られる予備成形体に、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を含浸させるに際しては、従来の溶湯鍛造法と同様に実施することができる。

予備成形体へ溶湯を含浸するに際しては、まず、予備成形体を７００〜１０００℃、好ましくは７５０〜８００℃に予備加熱し、同様に予熱されている溶湯鍛造用の金型内に設置する。７００℃未満では、溶湯の予備成形体への含浸が円滑に進行せず、機械的強度、物理的特性などが不均一な炭素繊維強化アルミニウム基複合材料が得られる可能性がある。１０００℃を大幅に超えると、金属被覆炭素繊維の金属層中の金属成分が相互拡散することによって、金属層内の傾斜界面が損なわれ、金属被覆炭素繊維による機械的強度の向上効果が低下するおそれがある。予備加熱時間は特に制限されず、予備成形体の内部まで均一に加熱される時間を適宜選択すればよい。予備加熱は空気中で行うことができ、または必要に応じてアルゴンガス、窒素ガスなどの不活性ガス中で行うこともできる。

次いで、予備加熱された予備成形体が設置された金型にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を供給し、予備成形体と溶湯とを接触させ、プレス装置を用い、押し子（加圧用パンチ）を介して溶湯に圧力をかけ、溶湯を予備成形体に含浸させる。溶湯の含浸量は特に制限されず、広い範囲から適宜選択できるけれども、得られる複合材料の機械的強度、切削加工性、軽量性などを考慮すると、通常は金属被覆炭素繊維が複合材料全量の５〜７０体積％、好ましくは３５〜５５体積％含まれるように溶湯を含浸させればよい。溶湯の温度は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点よりも５０〜４５０℃程度高い温度にするのが好ましい。圧力は溶湯が予備成形体に充分含浸される圧力とすればよく、通常は３０〜１２０ＭＰａ、好ましくは７０〜１００ＭＰａである。含浸時間は、予備成形体の大きさおよび密度、溶湯の種類などによって広い範囲から適宜選択できるけれども、通常は３〜２０分、好ましくは５〜１０分である。

溶湯の含浸終了後、冷却することにより、炭素繊維強化アルミニウム基複合材料と、含浸しなかった溶湯の凝固体とが一体化した接合体が得られる。この接合体を金型から取り出し、溶湯の凝固体を切削、溶解などの公知の方法に従って取り除くことによって、本発明の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料が得られる。

本発明の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料は、従来の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料が用いられている用途およびその他の用途に使用できる。用途の具体例としては、たとえば、自動車、航空機などの輸送機器の部品材料、人工衛星、宇宙開発用ロケットなどの部品材料、ロボットアーム、ステッパーなどの部品材料、電子部品材料、放熱基板材料、建築資材（たとえば壁材）、ハンダゴテ材料などが挙げられる。

以下に製造例、実施例および試験例を挙げ、本発明を具体的に説明する。
（製造例１）
１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．１ｍｍの炭素繊維織物（炭素繊維開繊幅２４ｍｍ、織物目付７０ｇ／ｍ^２）を、常温下、メチルエチルケトン中に２分間浸漬し、炭素繊維織物中のサイズ剤を溶解除去した。この炭素繊維織物をメチルエチルケトン中から取り出し、乾燥した。

この炭素繊維織物に、次の条件に従って、ニッケルめっき、銅−ニッケル合金めっきおよび銅めっきを順番に施し、銅とニッケルとを含む厚さ２．５μｍの金属層が形成された金属被覆炭素繊維織物を製造した。

図３は、金属被覆炭素繊維における金属層の組成変化を示すグラフである。図３において、膜厚とは、炭素繊維と金属層との界面を「０」とし、その界面から外方に向かって積層される金属層の厚みを意味する。図３から、ニッケルめっき層（第１層）の厚みが約０．５μｍ、銅−ニッケル合金めっき層（第２層）の厚みが約１．５μｍ、および銅めっき層（第３層）の厚みが０．５μｍであることが判る。

（１）ニッケルめっき
めっき浴組成：硫酸ニッケル ２４０ｇ／ｌ
塩化ニッケル ５０ｇ／ｌ
硼酸 ４０ｇ／ｌ
めっき浴ｐＨ：４（硫酸にて調整）
めっき浴温度：５０℃
陽極：ニッケル板
めっき電流値：１Ａ
めっき時間：１５分
（２）銅−ニッケル合金めっき
めっき浴組成：
ピロリン酸銅 ０〜３ｇ／ｌ（１．５分毎に濃度を０．１ｇ／ｌずつ増加させた）
硫酸ニッケル ２５ｇ／ｌ
ピロリン酸 ３００ｇ／ｌ
四硼酸 ６ｇ／ｌ
アンモニア水（表面平滑剤） ３ｍｌ／ｌ
めっき浴ｐＨ：９（水酸化カリウムにて調整）
めっき浴温度：５０℃
陽極：ニッケル板
めっき電流値：１Ａ
めっき時間：４５分
（３）銅めっき
めっき浴組成：ピロリン酸銅 １０ｇ／ｌ
ピロリン酸 ３００ｇ／ｌ
四硼酸 ６ｇ／ｌ
アンモニア水 ３ｍｌ／ｌ
めっき浴ｐＨ：９
めっき浴温度：５０℃
陽極：銅板
めっき電流値：１Ａ
めっき時間：１５分

（製造例２）
実施例１において、（１）のニッケルめっきを行わず、（２）の銅−ニッケル処理において最初の１５分間はめっき浴にピロリン酸銅を添加せず、その後１．５分毎にピロリン酸銅を０．１ｇ／ｌの割合で添加する以外は、実施例１と同様に操作し、金属被覆炭素繊維織物を製造した。

得られた金属被覆炭素繊維は、実施例１の金属被覆炭素繊維と同じ構成の金属層を有していた。

（製造例３）
実施例１において、（１）のニッケルめっきおよび（３）の銅めっきを行わず、（２）の銅−ニッケル処理において最初の１５分間はめっき浴にピロリン酸銅を添加せず、その後１．５分毎にピロリン酸銅を０．１ｇ／ｌの割合で添加する以外は、実施例１と同様に操作し、金属被覆炭素繊維織物を製造した。

図４は、金属被覆炭素繊維における金属層の組成変化を示すグラフである。図４において、膜厚とは、炭素繊維と金属層との界面を「０」とし、その界面から外方に向かって積層される金属層の厚みを意味する。図４から、ニッケルめっき層（第１層）の厚みが約０．５μｍおよび銅−ニッケル合金めっき層（第２層）の厚みが約１．５μｍであることが判る。

（実施例１）
製造例１で得られた金属被覆炭素繊維織物７０枚を、金型内に重ねて設置し、予備成形体として用いた。予備成形体を７５０℃に予備加熱し、別途７５０℃に予備加熱された金型内に設置し、７５０℃のアルミニウム合金溶湯を供給し、１００ＭＰａの圧力を加えてアルミニウム合金溶湯を予備成形体に含浸させた。アルミニウム合金としては、ＪＩＳ
Ｈ ５２０２−１９９２のＡＣ１Ａの化学組成（下記の組成）のものを使用した。
Ｃｕ：４．０〜５．０重量％、Ｓｉ：１．２重量％以下、Ｍｇ：０．２重量％以下、Ｚｎ：０．３重量％以下、Ｎｉ：０．０５重量％以下、Ｔｉ：０．２５重量％以下、Ｐｂ：０．０５重量％以下、Ｓｎ：０．０５重量％以下、Ｃｒ：０．０５重量％以下、Ａｌ：残部

含浸終了後、自然冷却し、金型から、炭素繊維強化アルミニウム基複合材料とアルミニウム合金の凝固体との接合体を取り出し、切削によりアルミニウム合金の凝固体を取り除くことによって、本発明の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料（寸法２０ｃｍ×３０ｃｍ×１．６ｃｍ）が得られた。このものは、金属被覆炭素繊維４０体積％とアルミニウム合金６０体積％とからなる複合材料であった。

（実施例２）
製造例１で得られた金属被覆炭素繊維織物に代えて製造例３で得られた金属被覆炭素繊維織物を使用する以外は、実施例１と同様にして、本発明の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料を製造した。該複合材料は、金属被覆炭素繊維２５体積％とアルミニウム合金７５体積％とからなる複合材料であった。

（試験例１）
実施例１および実施例２で得られた本発明の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料について、引張り強度をＪＩＳ Ｈ ５２０２に基づいて測定した。

比較のため、ＡＣ１Ａの組成のアルミニウム合金について、同様の物性を測定した。結果を表１に示す。

本発明の第１の実施形態である炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の構成を模式的に示す要部断面図である。 本発明の第２の実施形態である炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の構成を模式的に示す要部断面図である。 金属被覆炭素繊維における金属層の組成変化を示すグラフである。 金属被覆炭素繊維における金属層の組成変化を示すグラフである。

符号の説明

１，１０ 炭素繊維強化アルミニウム基複合材料
２ 基材
３，１１ 金属被覆炭素繊維
４ 炭素繊維
５，１２ 金属層
６ 第１層
７ 第２層
８ 第３層
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ 固溶体層

Claims (7)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金を基材とし、基材中に金属被覆炭素繊維を混在させることによって強化した炭素繊維強化アルミニウム基複合材料において、
   金属被覆炭素繊維は、
   炭素繊維の表面に接して形成されるニッケルまたはニッケル合金を含む第１層と、
   第１層の表面に接して形成されるニッケルと銅とを含む金属層であって、ニッケルと銅との組成比が連続的または段階的に変化する組成遷移層である第２層とを含んで構成される被覆層を有する金属被覆炭素繊維であることを特徴とする炭素繊維強化アルミニウム基複合材料。
2. 金属被覆炭素繊維は、
   炭素繊維の表面に接して形成されるニッケルまたはニッケル合金を含む第１層と、
   第１層の表面に接して形成されるニッケルと銅とを含む金属層であって、ニッケルと銅との組成比が連続的または段階的に変化する組成遷移層である第２層と、
   第２層の表面に接して形成される銅または銅合金を含む第３層とを含んで構成される被覆層を有する金属被覆炭素繊維であることを特徴とする炭素繊維強化アルミニウム基複合材料。
3. 第２層におけるニッケルと銅との組成比は、
   第１層から層厚方向へ遠ざかるのに伴って、銅の組成割合が大きくなるように遷移することを特徴とする請求項１または２記載の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料。
4. 金属被覆炭素繊維の被覆層が、
   めっきによって形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料。
5. 金属被覆炭素繊維は、
   被覆層が形成された後、非酸化性雰囲気下において５００℃以上、１０００℃以下で加熱処理されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料。
6. 金属被覆炭素繊維が、
   非酸化性雰囲気下において、溶融状態にあるアルミニウムまたはアルミニウム合金中へ装入されることによって形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料。
7. 金属被覆炭素繊維の含有量が、
   体積％で５％以上、７０％以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の炭素繊維強化アルミニウム基複合材料。

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