JP5711835B2 - 金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は複合材料の製造方法に関し、特に金属とカーボンナノチューブとを結合した複合材料の製造方法に関する。
金属材料はすでに様々な産業において広く応用されており、異なるニーズに応じて、金属材料における不足した特性を向上させるべく、業者もまた金属材料とその他材料とを結合させており、また数多くの金属ベースの複合材料もこれにより出現している。近年来、カーボンナノチューブの発見及びその独特の特性から、業者においてもカーボンナノチューブと金属とを結合してなる複合材料を次々に開発することで、優れた機械的性質又は電気的特性を達成している。
従来の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法は、例えば特許文献１にて、カーボンナノチューブ複合材料の調製方法を開示しているが、まず、複数のカーボンナノチューブを有するカーボンナノチューブ構造体を準備し、その後、金属化合物が溶解している反応溶液を準備するとともに、前記反応溶液に前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬し、そして無酸素雰囲気中にて、前記反応液が浸潤したカーボンナノチューブ構造体を熱処理することで、前記反応溶液中の金属化合物に分解反応を発生させる。上記方法により調製されたカーボンナノチューブ複合材料は、優れた引張強度及びヤング率を備える。
特許文献２にて、マグネシウム−カーボンナノチューブ複合材料の製造方法を開示しており、以下のような工程を含む。マグネシウム溶融体と大量のカーボンナノチューブを準備して、前記マグネシウム溶融体と前記カーボンナノチューブとを混合ペーストとして混合し、上記混合ペーストを金型内に注入して、プレキャスト体を得て、そして、上記プレキャスト体に加圧成形処理を行い、前記マグネシウム−カーボンナノチューブ複合材料を得る。これにより、前記マグネシウム−カーボンナノチューブ複合材料は高い強度と高い靱性という長所を備え、情報機器製品、自動車部品、宇宙航空部品などの分野に広く応用することができる。
しかしながら、実際に、上記した金属とカーボンナノチューブとからなる複合材料は、、前記カーボンナノチューブの前記複合材料の中での分散性は劣り、前記金属は構造的強度及び材料電気特性についての向上には限りがあるため、応用において、市場のニーズに符合するのは難しい。
本発明の主な目的は、従来の金属−カーボンナノチューブ複合材料にて、カーボンナノチューブの複合材料の中での分散性が劣り、金属特性上での向上に限りがあるという問題を解決するところにある。
上記目的を達成するために、本発明は金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法を提供するものであり、キャビティと、前記キャビティに連通する開口部と、前記開口部と同軸で設けられたダイヘッドとを有する金型を準備する工程と、金属材料及び複数のカーボンナノチューブを前記キャビティ内に置く工程と、前記金属材料を加熱して、前記金属材料を前記金属材料の融点以上の温度にまで上昇させて、前記金属材料を前記カーボンナノチューブとの被成形物として混合する工程と、前記ダイヘッドを前記開口部に対して往復動させることで、前記被成形物を繰り返し加圧して、前記カーボンナノチューブを前記金属材料中にて均一に分散させることで、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料を得る工程と、を含む。
上記目的を達成するために、本発明は他の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法を提供するものである。
キャビティと、対向して配置するとともに前記キャビティに連通する二つの開口部と、前記開口部と同軸でそれぞれ設けられた二つのダイヘッドとを有する金型を準備する工程と、金属材料及び複数のカーボンナノチューブを前記キャビティ内に置く工程と、前記金属材料を加熱して、前記金属材料を前記金属材料の融点以上の温度にまで上昇させて、前記金属材料を前記カーボンナノチューブとの被成形物として混合する工程と、前記ダイヘッドを前記開口部に対して往復動させることで、前記被成形物を繰り返し加圧して、前記カーボンナノチューブを前記金属材料中にて均一に分散させることで、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料を得る工程と、を含む。
これにより、本発明では前記ダイヘッドの前記往復動により、前記被成形物を繰り返して加圧して、前記カーボンナノチューブを前記金属材料中にて均一に分散させることで、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料を形成するものであって、これまでの前記カーボンナノチューブの前記金属材料中での分散性が劣るという問題を解決するため、前記金属材料の構造的強度及び電気的特性を効果的に向上させている。
本発明の詳細な説明及び技術内容に関しては、図面を合わせて以下のように説明する。
本発明の第１の実施例における工程手順の概略図である図１及び本発明の第１の実施例における製造工程手順の概略図である図２Ａないし図２Ｄを合わせて参照されたい。図示するように、本発明は金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法であって、以下の工程を含む。
工程１：図２Ａに示すように、キャビティ１１ａと、前記キャビティ１１ａに連通する前記開口部１２ａと、前記開口部１２ａと同軸で設けられて、前記開口部１２ａを介して開口部１２ａ内に対して移動することで前記キャビティ１１ａに出入りするダイヘッド１３ａとを有する金型１０ａを準備する。この実施例において、前記金型１０ａは鋳鉄又は高強度の鋼材製であるが、これに限定されるものではない。
工程２：図２Ｂに示すように、金属材料３０及び複数のカーボンナノチューブ２０を前記キャビティ１１ａ内に置く。本発明において、前記金属材料３０及び前記カーボンナノチューブ２０の重量パーセントはそれぞれ９０％ないし９９．９９８％及び０.００２％ないし１０％であって、前記金属材料３０としてはマグネシウム、アルミニウム、亜鉛、銅、ニッケル又はクロムを使用し、粉末状又は塊状としてもよい。前記カーボンナノチューブ２０は単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ又は上記の組み合わせでありつつ、前記カーボンナノチューブ２０の直径は１０ｎｍないし２００ｎｍである。本実施例において、前記金属材料３０はマグネシウムの塊材であって、そして前記カーボンナノチューブ２０は多層カーボンナノチューブを選択しており、前記金属材料３０及び前記カーボンナノチューブ２０の重量パーセントはそれぞれ９０％及び１０％である。
工程３：図２Ｃに示すように、前記金属材料３０を加熱して、前記金属材料３０を前記金属材料３０の融点以上の温度にまで上昇させて、前記金属材料３０を溶融状態とするとともに、前記カーボンナノチューブ２０と被成形物４０として混合する。当業者であれば、前記温度は選択する前記金属材料３０の種類によって異なることは知り得るものであって、この実施例においては、前記金属材料３０はマグネシウムを使用していることから、融点は約６５０℃であるため、前記金属材料３０を６５０℃以上にまで加熱して、前記金属材料３０と前記カーボンナノチューブ２０とを混合している。前記金属材料３０を加熱する方式は抵抗加熱器で加熱してもよい。
工程４：図２Ｄに示すように、前記ダイヘッド１３ａを前記開口部１２ａに対して往復動させることで、前記被成形物４０を繰り返し加圧して、前記カーボンナノチューブ２０を前記金属材料３０中にて均一に分散させることで、金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料５０を得る。この実施例において、前記金型１０ａは押出成形機であって、前記往復動中、前記キャビティ１１ａ内にアルゴンガスとすることができる保護ガスを送り込むうえ、前記往復動にて、前記金型１０ａは前記ダイヘッド１３ａにより前記被成形物４０に対して５００トン数ないし３０００トン数の押圧力を付与して、前記被成形物４０を前記キャビティ１１ａ内で複数回加圧し、ひいては前記カーボンナノチューブ２０を前記金属材料３０内に均一に分散させて、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料５０を得る。
また、この実施例において、工程５：前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料５０に冷却作業を行って、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料５０を塊材として凝固させることで、後の前記カーボンナノチューブ２０を使用しやすくするものであり、前記冷却作業は例えば前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料５０を前記キャビティ１１ａ内に室温になるまで放置することで、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料５０を自然冷却させるか、又は油冷却、ガス冷却及び水冷却のいずれでもよい、を更に含む。
本発明の第２の実施例における工程手順の概略図である図３及び本発明の第２の実施例における製造工程手順の概略図である図４Ａないし図４Ｄを合わせて参照されたい。この実施例において、第１の実施例と比較するに、開口部１２ｂは対向して設けられいずれもキャビティ１１ｂに連通する第１の開口部１２１と第２の開口部１２２とを更に備え、そしてダイヘッド１３ｂは前記第１の開口部１２１と同軸で設けられた第１のダイヘッド１３１と、前記第２の開口部１２２と同軸で設けられた第２のダイヘッド１３２とを更に備えており、前記第１のダイヘッド１３１及び前記第２のダイヘッド１３２はそれぞれ前記第１の開口部１２１及び第２の開口部１２２を介して前記キャビティ１１ｂに出入りすることから、これにより、同様に前記キャビティ１１ｂ内で前記被成形物４０を繰り返し加圧して、前記カーボンナノチューブ２０を前記金属材料３０中にて均一に分散させることで、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料５０を得る。
上記をまとめるに、本発明では前記ダイヘッドの前記往復動により、前記被成形物を繰り返して加圧して、前記カーボンナノチューブを前記金属材料中にて均一に分散させることで、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料を形成するものであって、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料は前記金属材料に比べて、構造的強度及び材料電気的特性を効果的に向上するとともに、これまでの前記カーボンナノチューブの前記金属材料中での分散性が劣るという問題を解決するため、本発明は進歩性及び特許出願の要件に極めて符合するものである。
１０ａ 金型
１０ｂ 金型
１１ａ キャビティ
１１ｂ キャビティ
１２ａ 開口部
１２ｂ 開口部
１２１ 第１の開口部
１２２ 第２の開口部
１３ａ ダイヘッド
１３ｂ ダイヘッド
１３１ 第１のダイヘッド
１３２ 第２のダイヘッド
２０ カーボンナノチューブ
３ 金属材料
４０ 被成形物
５０ 金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料
１ 工程
２ 工程
３ 工程
４ 工程
ａ 工程
ｂ 工程
ｃ 工程
ｄ 工程
１０ｂ 金型
１１ａ キャビティ
１１ｂ キャビティ
１２ａ 開口部
１２ｂ 開口部
１２１ 第１の開口部
１２２ 第２の開口部
１３ａ ダイヘッド
１３ｂ ダイヘッド
１３１ 第１のダイヘッド
１３２ 第２のダイヘッド
２０ カーボンナノチューブ
３ 金属材料
４０ 被成形物
５０ 金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料
１ 工程
２ 工程
３ 工程
４ 工程
ａ 工程
ｂ 工程
ｃ 工程
ｄ 工程
Claims (16)
- 金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法であって、
キャビティと、前記キャビティに連通する開口部と、前記開口部と同軸で設けられたダイヘッドとを有する金型を準備する工程と、
金属材料及び複数のカーボンナノチューブを前記キャビティ内に置く工程と、
前記金属材料を加熱して、前記金属材料を前記金属材料の融点以上の温度にまで上昇させて、前記金属材料を前記カーボンナノチューブとの被成形物として混合する工程と、
前記ダイヘッドを前記開口部に対して往復動させることで、前記被成形物を繰り返し加圧して、前記カーボンナノチューブを前記金属材料中にて均一に分散させることで、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料を得る工程と、を含む、ことを特徴とする金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。 - 前記金属材料がマグネシウム、アルミニウム、亜鉛、銅、ニッケル、クロム及びその組成物からなる群から選ばれる、ことを特徴とする請求項１に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記被成形物中における前記金属材料の重量パーセントが９０％ないし９９．９９８％である、ことを特徴とする請求項１に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記被成形物中における前記カーボンナノチューブの重量パーセントが０．００２％ないし１０％である、ことを特徴とする請求項１に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ及びその組成物からなる群から選ばれる、ことを特徴とする請求項１に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブの直径が１０ｎｍないし２００ｎｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記金型が押出成形機であって、前記往復動にて、前記金型は前記被成形物に対して５００トン数ないし３０００トン数の押圧力を付与する、ことを特徴とする請求項１に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記往復動中、前記被成形物をアルゴンガスである保護ガス中に置く、ことを特徴とする請求項１に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法であって、
キャビティと、対向して配置するとともに前記キャビティに連通する二つの開口部と、前記開口部と同軸でそれぞれ設けられた二つのダイヘッドとを有する金型を準備する工程と、
金属材料及び複数のカーボンナノチューブを前記キャビティ内に置く工程と、
前記金属材料を加熱して、前記金属材料を前記金属材料の融点以上の温度にまで上昇させて、前記金属材料を前記カーボンナノチューブとの被成形物として混合する工程と、
前記ダイヘッドを前記開口部に対して往復動させることで、前記被成形物を繰り返し加圧して、前記カーボンナノチューブを前記金属材料中にて均一に分散させることで、前記金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料を得る工程と、を含む、ことを特徴とする金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。 - 前記金属材料がマグネシウム、アルミニウム、亜鉛、銅、ニッケル、クロム及びその組成物からなる群から選ばれる、ことを特徴とする請求項９に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記被成形物中における前記金属材料の重量パーセントが９０％ないし９９．９９８％である、ことを特徴とする請求項９に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記被成形物中における前記カーボンナノチューブの重量パーセントが０.００２％ないし１０％である、ことを特徴とする請求項９に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ及びその組成物からなる群から選ばれる、ことを特徴とする請求項９に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブの直径が１０ｎｍないし２００ｎｍである、ことを特徴とする請求項９に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記金型が押出成形機であって、前記往復動にて、前記金型は前記被成形物に対して５００トン数ないし３０００トン数の押圧力を付与する、ことを特徴とする請求項９に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
- 前記往復動中、前記被成形物をアルゴンガスである保護ガス中に置く、ことを特徴とする請求項９に記載の金属ベースのカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
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