JP5077660B2 - 金属粉末複合材を製造するコーティング組成物と、該金属粉末複合材によって製造された金属複合材、金属積層複合材、およびこれらの製造方法 - Google Patents
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〔1〕表面を酸処理して親水化したナノサイズの微細炭素繊維および金属粉末を溶媒に分散させてなり、上記微細炭素繊維が平均繊維径1nm〜160nmおよびアスペクト比5以上のカーボンナノチューブないしカーボンナノファイバーであり、金属粉末の平均一次粒径が0.1μm〜100μmであり、金属粉末に対する微細炭素繊維の量が0.05〜15.0質量%であり、微細炭素繊維が網目状に被覆されている金属粉末複合材を製造するためのものであることを特徴とする金属粉末複合材製造用のコーティング組成物。
〔2〕さらに結着剤を添加してなる上記[1]に記載するコーティング組成物。
〔3〕金属粉末がAl粉末、Al合金粉末、Mg合金粉末、Ti合金粉末、Cu粉末、Cu合金粉末、Ni合金粉末、Cr合金粉末、Fe合金粉末である上記[1]または上記[2]に記載するコーティング組成物。
〔4〕上記[1]〜上記[3]の何れかに記載するコーティング組成物の溶媒を乾燥してなり、微細炭素繊維が金属粉末表面に網目状に被覆されている金属粉末複合材。
〔5〕上記[4]に記載する金属粉末複合材を焼結処理してなる金属複合材。
〔6〕上記[4]に記載する金属粉末複合材を非酸化性雰囲気下で加熱して溶融状態または半溶融状態にし、これを基板表面に積層してなる金属積層複合材。
〔7〕上記[1]〜上記[3]の何れかに記載するコーティング組成物の溶媒を乾燥して金属粉末表面に微細炭素繊維が網目状に被覆した金属粉末複合材を製造する方法。
〔8〕上記[7]に記載する方法によって製造した金属粉末複合材を、非酸化性雰囲気下で溶融または半溶融状態にして基材表面に積層することによって金属積層複合材を製造する方法。
本発明の金属粉末複合材は、下記[イ]のコーティング組成物によって製造される。
〔イ〕表面を酸処理して親水化したナノサイズの微細炭素繊維および金属粉末を溶媒に分散させてなり、上記微細炭素繊維が平均繊維径1nm〜160nmおよびアスペクト比5以上のカーボンナノチューブないしカーボンナノファイバーであり、金属粉末の平均一次粒径が0.1μm〜100μmであり、金属粉末に対する微細炭素繊維の量が0.05〜15.0質量%であり、微細炭素繊維が網目状に被覆されている金属粉末複合材を製造するためのものであることを特徴とするコーティング組成物。
ナノサイズの微細炭素繊維とは平均繊維径1nm〜500nmおよびアスペクト比5以上の炭素繊維を云い、例えば、上記平均繊維径およびアスペクト比のカーボンナノチューブないしカーボンナノファイバーである。具体的には、例えば、平均繊維径1nm〜160nm、アスペクト比5以上である。表面が酸処理して親水化されたカーボンナノチューブないしカーボンナノファイバーが用いられる。
〔実施例1〕
(1)CNF分散液の調製
微細炭素繊維として中空構造のカーボンナノファイバー(CNF:平均繊維径20nm)を硝酸と硫酸の混合液に1重量部:5重量部:15重量部の割合で混合し、過熱して表面を酸処理した。得られた溶液を濾過し、数回水洗を行って残留する酸を洗い流した。その後、乾燥して粉末化し、その粉末をジメチルアセトアミドに溶解させてCNF分散液を得た。
結着剤としてエチルセルロースを用い、上記CNFのジメチルアセトアミド分散液に該結着剤を固形分比で1:1となるように混合してコーティング組成物を調製した。次いで、金属粉末として平均一次粒径1.5μmのアルミニウム粉末(Al粉末)を用い、上記コーティング組成物にAl粉末を加えて分散させ、均一混合した後に、乾燥して網目状被膜を有するAl粉末複合材を得た。また比較例として、同サイズで水溶性でない、修飾基をもたないカーボンナノフィバーを通常のエタノール中にAl粉末と共に超音波で分散し、溶媒を気化して飛ばした複合粉末を作成した。
上記製造工程で得たCNF網目状被膜を有する金属粉末複合材の顕微鏡写真を図1および図2に示した。比較対照として、CNF網目状被膜を形成しない原料のAl粉末写真を図3および図4に示した。Al粉末原料の写真(図3および図4)と比較すると、本発明のAl粉末複合材粉末には、図1および図2に示すように、Al粉末表面に均一な網目状被膜が形成されていることがわかる。一方、比較例で作成した金属粉末の表面には図3および図4に示すようにカーボンナノファイバーが親水化されていないため、分散液とならず、その結果CNFの網目状被膜が形成されなかった。
(4)金属複合材の製造
表1に示す平均一次粒径(1.5μm、17μm、26μm、90μm)のAl粉末を用い、表1に示す分散媒、結着材、CNF量に従い、実施例1と同様にして粉末表面にCNF網目状被膜を設けたAl金属粉末複合材を調製した。なお、試料No.6、試料No.7は結着材を使用しなかった。これを焼結処理してAl基複合材を製造した。この複合材の物性を表1に示した。焼結は、Al金属粉末複合材を所定の温度で加熱処理して結着材が含まれるサンプルに対しては酸化気化除去した後、所定重量を秤量して超硬型にセットし、真空中にて加圧し、パルス電流を加えて昇温、保持して、SPSプラズマ焼結を行った。実施した焼結条件は、真密度が得られやすく、型の損傷、CNTの熱影響が軽度な480℃〜500℃の温度範囲に10分以上保持し、400〜500MPaの加圧で行った。なお、この条件以外でも、真空雰囲気のカーボン型にて600℃近い高温で100MPA程度の低圧条件で製造することができる。本発明試料No.4、No.8、No.9のAl金属組織の顕微鏡写真を図5〜図7に示す。
平均一次粒径(1.5μm、26μm)のAl粉末を用い、カーボンナノフィバーの繊維径が10nm、160nmのものを用いて表面を親水化処理せずに分散媒に入れた以外は実施例2と同様に焼結処理してAl金属材を製造した。このAl金属組織の顕微鏡写真を図8、図9に示す。
平均一次粒径(1.5μm)のAl粉末を用い、カーボンナノフィバーの繊維径が10nmのものを用いて表面の親水化処理を行い、カーボンナノファイバーの添加量を18wt%として分散媒に入れた以外は実施例2と同様に焼結処理してAl金属材を製造した。このAl金属組織の顕微鏡写真を図10に示す。
平均一次粒径(120μm)のAl粉末を用い、カーボンナノフィバーの繊維径が10nmのものを用いて表面の親水化処理を行い、カーボンナノファイバーの添加量を15wt%として分散媒に入れた以外は実施例2と同様に焼結処理してAl金属材を製造した。
カーボンナノフィバーを含有しないものを比較例として示した。
尚、比較例16〜17に見られるように熱伝導率はアルミの粒径が小さくなる程、小さくなったが、これは粉末表面の酸化膜による影響と示唆される。
Claims (8)
- 表面を酸処理して親水化したナノサイズの微細炭素繊維および金属粉末を溶媒に分散させてなり、上記微細炭素繊維が平均繊維径1nm〜160nmおよびアスペクト比5以上のカーボンナノチューブないしカーボンナノファイバーであり、金属粉末の平均一次粒径が0.1μm〜100μmであり、金属粉末に対する微細炭素繊維の量が0.05〜15.0質量%であり、微細炭素繊維が網目状に被覆されている金属粉末複合材を製造するためのものであることを特徴とする金属粉末複合材用のコーティング組成物。
- さらに結着剤を添加してなる請求項1に記載するコーティング組成物。
- 金属粉末がAl粉末、Al合金粉末、Mg合金粉末、Ti合金粉末、Cu粉末、Cu合金粉末、Ni合金粉末、Cr合金粉末、Fe合金粉末である請求項1または請求項2に記載するコーティング組成物。
- 請求項1〜請求項3の何れかに記載するコーティング組成物の溶媒を乾燥してなり、微細炭素繊維が金属粉末表面に網目状に被覆されている金属粉末複合材。
- 請求項4に記載する金属粉末複合材を焼結処理してなる金属複合材。
- 請求項4に記載する金属粉末複合材を非酸化性雰囲気下で加熱して溶融状態または半溶融状態にし、これを基板表面に積層してなる金属積層複合材。
- 請求項1〜請求項3の何れかに記載するコーティング組成物の溶媒を乾燥して金属粉末表面に微細炭素繊維が網目状に被覆した金属粉末複合材を製造する方法。
- 請求項7に記載する方法によって製造した金属粉末複合材を、非酸化性雰囲気下で溶融または半溶融状態にして基材表面に積層することによって金属積層複合材を製造する方法。
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