JP6782678B2 - アルミニウム基複合材料及びそれを用いた電線並びにアルミニウム基複合材料の製造方法 - Google Patents

アルミニウム基複合材料及びそれを用いた電線並びにアルミニウム基複合材料の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、アルミニウム基複合材料及びそれを用いた電線並びにアルミニウム基複合材料の製造方法に関する。詳細には、本発明は、強度が高く、導電性が良好なアルミニウム基複合材料及びそれを用いた電線並びにアルミニウム基複合材料の製造方法に関する。
自動車用ワイヤーハーネスに用いられる電線等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。しかし、アルミニウムは軽量ではあるものの、銅と比較すると強度及び導電率が低い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、強度及び導電率を向上させる方法が検討されている。
特許文献１には、炭素材料を酸性溶液中で超音波によって処理する工程と、得られた炭素材料をアルミニウムと混合する工程と、を含むアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法が記載されている。さらに、特許文献１のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法は、不活性気体雰囲気の下、得られた混合物をボールミリングして炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する工程を含むことが記載されている。そして、特許文献１には、炭素材料としてカーボンナノチューブが用いられ、カーボンナノチューブを機能化するために、カーボンナノチューブが硝酸を用いて処理されることが記載されている。
特許第５２９６４３８号公報
しかしながら、特許文献１では、カーボンナノチューブの構造を壊さず、カーボンナノチューブの結晶性を維持することを目的としており、カーボンナノチューブが微細に分散されていないおそれがある。また、特許文献１では、カーボンナノチューブの添加量が５重量％と多く、カーボンナノチューブがアルミニウム内で凝集してしまうおそれがある。そのため、カーボンナノチューブが添加されていても、アルミニウム−炭素材料複合体の強度が十分強化されておらず、導電性も低下するおそれがある。
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、強度が高く、導電性が良好なアルミニウム基複合材料及びそれを用いた電線並びにアルミニウム基複合材料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、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、一部又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し、分散体の平均粒子径は２０ｎｍ以下であり、分散体の含有量は、炭素量換算で０．２５質量％以上０．７２質量％以下であり、隣接する分散体の間隔は２１０ｎｍ以下である。
本発明の第２の態様に係るアルミニウム基複合材料は、第１の態様のアルミニウム基複合材料に関し、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３の態様に係る電線は、第１又は２の態様のアルミニウム基複合材料を備える。
本発明の第４の態様に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第１又は２の態様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添加物とを混合し、隣接する添加物の間隔を３００ｎｍ以下にした混合粉末を得る工程と、混合粉末を圧粉成形することにより、圧粉体を作製する工程と、圧粉体を６００〜６６０℃の温度で加熱することにより、一部又は全ての添加物をアルミニウム粉末におけるアルミニウムと反応させ、アルミニウム母相の内部に炭化アルミニウムからなる分散体を分散させる工程と、を有する。
本発明によれば、強度が高く、導電性が良好なアルミニウム基複合材料及びそれを用いた電線並びにアルミニウム基複合材料の製造方法を提供することができる。
カーボンナノチューブの添加量と、カーボンナノチューブを添加することによるアルミニウム複合基材の引張強さの強化量との関係を示すグラフである。 溶融法により形成された純アルミニウムに対し、引張強さの強化の寄与度を示した棒グラフである。 本実施形態に係るアルミニウム基複合材料におけるカーボンナノチューブの含有量（炭素量換算）と導電率との関係を示すグラフである。 本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。 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。 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の断面の電子顕微鏡写真である。 実施例２の断面の電子顕微鏡写真である。
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れを用いた電線並びにアルミニウム基複合材料の製造方法について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。
［アルミニウム基複合材料］
本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、当該アルミニウム母相の内部に分散し、かつ、一部又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。
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８５ＭＰａ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。そのため、このような従来のアルミニウム材料を使用しても、高温環境下における応力緩和を抑制す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、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アルミニウム基複合材料を使用することにより、強度を高めることが可能となる。
アルミニウム基複合材料におけるアルミニウム母相としては、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、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、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、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。アルミニウム母相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、さらに本実施形態に係る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。
本実施形態に係るアルミニウム基複合材料では、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。このような添加物は特に限定されないが、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又は針状であることが好ましい。分散体が棒状又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、アルミニウム基複合材料の結晶粒をより微細化することが可能となる。なお、分散体が棒状又は針状である場合、長さ（Ｌ）と直径（Ｄ）との比は、長さ（Ｌ）／直径（Ｄ）＝１〜３０であることが好ましい。また、長さ（Ｌ）は０．０１ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましく、直径（Ｄ）は０．０１ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。分散体の長さと直径の長さを上記のような範囲とすることにより、アルミニウム母相に上記分散体を分散することによる引張強さを十分に向上させることができる。なお、分散体の長さと直径は、アルミニウム基複合材料の断面を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。
アルミニウム母相中に分散している分散体の平均粒子径は２０ｎｍ以下である。分散体の平均粒子径を２０ｎｍ以下とすることにより、カーボンナノチューブの分散によるアルミニウム基複合材料の強度を向上させることができる。なお、アルミニウム母相中に分散している分散体の平均粒子径の下限は特に限定されないが、一般的には０．４ｎｍ以上である。また、強度向上の観点より、アルミニウム母相中に分散している分散体の平均粒子径は１０ｎｍ以下であることが好ましい。また、分散体の平均粒子径（Ｄ５０）は、体積基準における粒度分布の累積値が５０％の時の粒子径を表し、例えば、レーザ回折・散乱法により測定することができる。また、分散体の平均粒子径は、例えば、電子顕微鏡で観察して測定した粒子径を平均化することで求めることもできる。
また、本実施形態におけるアルミニウム基複合材料では、アルミニウム母相の内部に、棒状又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、棒状又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結合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。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、予め高温処理したり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又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、一部又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。そして、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、アルミニウム基複合材料において、隣接する分散体の間隔は２１０ｎｍ以下である。分散体の間隔が２１０ｎｍ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できることから、アルミニウム基複合材料の強度を向上させることができる。なお、アルミニウム基複合材料において、隣接する分散体の間隔は２００ｎｍ以下であることが好ましい。
なお、隣接する分散体の間隔は、アルミニウム基複合材料の断面を電子顕微鏡で観察し、直接測定して平均化することで求めることができる。また、隣接する分散体の間隔は、アルミニウム基複合材料の断面を電子顕微鏡で観察し、単位面積当たりの分散体の数を以下の数式（１）に代入することにより算出することができる。
上記数式（１）において、ａは隣接する分散体の間隔（μｍ）、σはアルミニウム基複合材料中の単位面積当たりの分散体数（個／μｍ２）を表す。
本実施形態に係る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０．２５質量％以上０．７２質量％以下である。分散体の含有量を０．２５質量％以上とすることにより、十分な引張強さを得ることができる。また、分散体の含有量を０．７２質量％以下とすることにより、十分な導電率を得ることができる。なお、引張強さの観点からは、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０．５０質量％以下であることがより好ましい。また、導電率の観点からは、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０．３５質量％以上であることがより好ましい。
図１は、アルミニウム基複合材料中に含まれるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の含有量とアルミニウム基複合材料の添加物を分散させることによって得られる引張強さの寄与（分散強化量）との関係を示す。なお、図１中、ｘ軸は隣接する分散体の間隔（ｎｍ）、ｙ軸は分散強化量（ＭＰａ）を示す。図１に示すように、アルミニウム基複合材料中の炭素量が増加する程、分散強化量は増加する傾向にある。
なお、上記分散強化量は、以下の数式（２）で示されるＯｒｏｗａｎ−Ａｓｈｂｙ ｍｏｄｅｌの式により算出することができる。
上記数式（２）中、ΔσＤは分散強化量（ＭＰａ）、Ｍはテイラー因子（無単位）、Ｇは剛性率（ＭＰａ）、ｂはバーガースベクトル（ｎｍ）、ｒ０は分散体の平均粒子径（ｎｍ）、ｘは隣接する分散体の間隔（ｎｍ）を表す。
また、上記数式（２）中、隣接する分散体の間隔ｘは以下の数式（３）により表すことができる。
上記数式（３）中、ｒ０は分散体の平均粒子径（ｎｍ）、ｆｖは分散体の含有量（質量
比）を表す。
ここで、図２に示すように、溶融法により形成された純アルミニウムの引張強さが８５ＭＰａである。そして、粉末冶金法による酸化物分散及び結晶粒微細化による引張強さへの寄与が６３ＭＰａ、カーボンナノチューブの結晶粒微細化による引張強さへの寄与が１２ＭＰａである。そのため、アルミニウム基複合材料において、引張強さを純銅と同等の２５０ＭＰａにするには、これらの差分である９０ＭＰａの引張強さを、アルミニウム母相中に添加物を分散させることによって強化させる必要がある。そのため、本実施形態に係るアルミニウム基複合材料の引張強さを純銅と同等にするには、図１より、分散体の含有量を炭素量換算で０．２５質量％以上とすることが求められる。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。
一方、図３は、アルミニウム基複合材料中に含まれるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の含有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３に示すように、添加物としてのカーボンナノチューブと導電率との間には、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導電率は低下する。
ここで、ＪＡＳＯ Ｄ６０３によれば、導電率を５８％ＩＡＣＳ以上とすることが求められている。そのため、本実施形態に係るアルミニウム基複合材料の導電率を５８％ＩＡＣＳ以上とするには、図３より、分散体の含有量を炭素量換算で０．７２質量％以下とすることが求められる。なお、分散体の含有量を炭素量換算で０．２５質量％以上０．７２質量％以下にする場合、炭化アルミニウムの含有量で換算すると、おおよそ０．９９質量％以上２．８５質量％以下となる。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。
本実施形態に係るアルミニウム基複合材料において、アルミニウム母相の結晶粒径は２μｍ以下であることが好ましい。アルミニウム母相の結晶粒径が２μｍ以下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、アルミニウム母相の結晶粒径は、線分法により求めることができる。
以上の通り、本実施形態の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、一部又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、アルミニウム基複合材料において、分散体の平均粒子径は２０ｎｍ以下であり、分散体の含有量は、炭素量換算で０．２５質量％以上０．７２質量％以下であり、隣接する前記分散体の間隔は２１０ｎｍ以下である。
このように、アルミニウム母相にナノサイズの分散体が凝集せずに均一に高分散することで、アルミニウムの結晶粒を微細化するため、アルミニウム基複合材料の強度を銅と同等のレベルまで高めることが可能となる。また、アルミニウム基複合材料中の分散物はナノサイズであり、均一分散しているため、導電性が純アルミニウムよりも著しく低下しない。そのため、当該アルミニウム基複合材料を使用したバスバー、導体及び端子などの導電部材は高い導電性を有し、さらに高温環境下でも使用することが可能となる。
［電線］
本実施形態に係る電線は、上記アルミニウム基複合材料を備える。本実施形態におけるアルミニウム基複合材料は、上述のように高い強度及び導電性を備えているため、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。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、直径（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る。また、被覆層の厚さは適宜定めることができる。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が、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。
［アルミニウム基複合材料の製造方法］
次に、上記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４に示すように、まず、アルミニウム基複合材料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、例えば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）等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０．２５質量％以上０．７２質量％以下となるように、アルミニウム粉末と添加物とを秤量する。
そして、秤量したアルミニウム粉末と添加物とを混合し、混合粉末を作製する。アルミニウム粉末と添加物との混合方法は特に限定されず、ミリングによる乾式法及びアルコール等で混合する湿式法の少なくともいずれか一方により混合することができる。
混合粉末は、隣接する添加物の間隔を３００ｎｍ以下にすることが好ましい。隣接する
添加物の間隔を３００ｎｍ以下とすることにより、以下の圧粉成形において、隣接する分
散体の間隔を２１０ｎｍ以下とすることができる。
隣接する添加物の間隔は、混合方法を制御することにより調製することができる。例えば、ミリングにより混合する場合、総衝突エネルギーを所定の値以上にしてミリングすることにより、隣接する添加物の間隔を小さくすることができる。なお、ミリングの衝突エネルギーは、以下の数式（４）を用いて算出することができる。
Ｐ＊＝（ＰｔＰＷ／Ｋ） （４）
なお、上記数式（４）において、Ｐ＊は総衝突エネルギー（ｋＪ／ｋｇ）、Ｐは単位時間当たりに加える衝突エネルギー（ｋＪ／（ｓ・ｋｇ））、ｔはミリング時間（ｓ）、ＰＷは粉末の重量（ｋｇ）、Ｋはポットの相対回転速度（自転速度−公転速度）（ｒｐｍ）をそれぞれ表す。
ミリングの総衝突エネルギーは１５００ｋＪ／ｋｇ以上５０００ｋＪ／ｋｇ以下であることが好ましい。ミリングの総衝突エネルギーを１５００ｋＪ／ｋｇ以上とすることにより、隣接する添加物の間隔を小さくすることができ、生成されたアルミニウム基複合材料における分散体の分散性を向上させることができる。また、ミリングの総衝突エネルギーを５０００ｋＪ／ｋｇ以下とすることにより、ミリングによるアルミニウム基複合材料の劣化を低減することができる。なお、ミリングの総衝突エネルギーは２０００ｋＪ／ｋｇ以上４０００ｋＪ／ｋｇ以下であることがより好ましい。
ミリングの自転及び公転速度は、例えば２００ｒｐｍ〜２５０ｒｐｍとすることが好ましい。さらに、ミリングの回転時間は５分〜１０分であることが好ましい。また、粉末量は３８０ｇ〜８００ｇであり、衝突エネルギーを付与する直径５ｍｍ〜１０ｍｍのジルコニアボールが約３ｋｇ同封されることが好ましい。ミリングの条件を上記のような範囲とすることにより、ミリングの総衝突エネルギーを最適な範囲とすることができる。
次に、混合したアルミニウム粉末及び添加物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添加物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、アルミニウム粉末と添加物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。なお、混合工程において隣接する添加物の間隔を３００ｎｍ以下とした場合、この成形工程においてアルミニウム基複合材料中の隣接する分散体の間隔が２１０ｎｍ以下とすることができる。
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４００ＭＰａ〜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することにより、一部又は全ての添加物をアルミニウム粉末におけるアルミニウムと反応させ、アルミニウム母相の内部に炭化アルミニウムからなる分散体を分散させる。焼結工程では、アルミニウム粉末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、アルミニウム粉末と添加物との結合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おそれがある。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、アルミニウム粉末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、アルミニウム粉末及び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、アルミニウム母相の内部に分散体が分散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、棒材や板材等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、荒引線や板材などの素材を得ることができる。
本実施形態における製造方法において、アルミニウム粉末の平均粒子径（Ｄ５０）は、２０μｍ以上であることが好ましい。アルミニウム粉末の平均粒子径が２０μｍ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、当該平均粒子径が２０μｍ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５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６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。アルミニウム基複合材料を例えばＪＡＳＯ Ｄ６０３に適合させる場合、導電率を５８％ＩＡＣＳ以上とすることが求められている。そのため、図５より、アルミニウム内に含有する酸素量は、０．２１質量％以下であることが好ましい。そして図６より、アルミニウム内に含有する酸素量を０．２１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０．７５ｍ２／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０．７５ｍ２／ｇ以下とするためには、アルミニウム粉末の平均粉体径はアルミニウム粉末が球形状を維持している想定では計算上０．７５μｍ以上であることが好ましい。
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。
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、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、直径５ｍｍ〜直径１０ｍｍ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。
以上の通り、本実施形態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添加物とを混合し、隣接する添加物の間隔を３００ｎｍ以下にした混合粉末を得る工程を有する。アルミニウム基複合材料の製造方法は、混合粉末を圧粉成形することにより、圧粉体を作製する工程を有する。アルミニウム基複合材料の製造方法は、圧粉体を６００〜６６０℃の温度で加熱することにより、一部又は全ての添加物をアルミニウム粉末におけるアルミニウムと反応させ、アルミニウム母相の内部に炭化アルミニウムからなる分散体を分散させる工程を有する。そのため、本実施形態の製造方法によれば、強度が高く、導電性が良好なアルミニウム基複合材料を提供することができる。
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、得られる分散体の含有量が炭素量換算で０．５質量％となるように、純アルミニウム粉末を３９６ｇとカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を１．９９ｇとを秤量した。
なお、使用した純アルミニウム粉末とカーボンナノチューブは以下の通りである。
（アルミニウム粉末）
ミナルコ株式会社製「♯２６０Ｓ」
粒子径：７５μｍ以下（Ｒｏ−ｔａｐ方式によるふるい分け）
（カーボンナノチューブ）
ＣＮａｎｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ製、製品名Ｆｌｏｔｕｂｅ９１００
平均直径：１０〜１５ｎｍ
平均長さ：１０μｍ
平均粒子径（Ｄ５０）：２０ｎｍ
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、回転処理してミリングすることにより、混合粉末を調整した。なお、遊星ボールミルは、株式会社セイシン企業製「ＳＫＦ−０４」を用いた。
また、ミリングは、単位時間当たりに加える衝突エネルギーが５ｋＪ／（ｓ・ｋｇ）、総衝突エネルギーが３０１５ｋＪ／ｋｇとなるように調製した。本例では、アルミニウム粉末とカーボンナノチューブの混合工程において十分な衝突エネルギーを与えたため、アルミニウム粉末が扁平形状になった。
具体的なミリング条件は以下の通りである。
自転速度：２５０ｒｐｍ
公転速度：２５０ｒｐｍ
回転時間：５分
得られた混合粉末の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、カーボンナノチューブ間の平均的な間隔は２０６ｎｍであった。
さらに、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、圧粉体を調整した。
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、アルミニウム基複合材料を得た。
[実施例２]
単位時間当たりに加える衝突エネルギーが２．６ｋＪ／（ｓ・ｋｇ）、総衝突エネルギーが７７２ｋＪ／ｋｇとなるように遊星ボールミルを調製して純アルミニウム粉末とカーボンナノチューブをミリングした。
具体的なミリング条件は以下の通りである。
自転速度：１２０ｒｐｍ
公転速度：１２０ｒｐｍ
回転時間：５分
上記以外は実施例１と同様にして、アルミニウム基複合材料を得た。なお、本例では、アルミニウム粉末とカーボンナノチューブの混合工程において衝突エネルギーが十分ではなかったため、アルミニウム粉末が扁平形状にならなかった。
なお、得られた混合粉末の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、カーボンナノチューブ間の平均的な間隔は３５６ｎｍであった。
［評価］
実施例１及び実施例２のアルミニウム基複合材料の断面を走査型電子顕微鏡で観察し、カーボンナノチューブ同士の間隔を測定した。また、実施例１及び実施例２のアルミニウム基複合材料の引張強さ及び導電率を測定した。引張強さはＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠して測定した。また、導電率はＪＩＳ Ｈ０５０５に準拠して測定した。これらの結果を表１に示す。また、実施例１及び実施例２の電子顕微鏡写真を図７及び図８にそれぞれ示す。
実施例１の混合粉末は、アルミニウム粉末及びカーボンナノチューブを所定のエネルギー以上でミリングしたため、カーボンナノチューブをアルミニウム粉末の内部にまで織り込むことができた。そのため、カーボンナノチューブ同士の間隔は平均２０６μｍであり、カーボンナノチューブ同士の間隔を２１０ｎｍ以下とすることができた。
一方、実施例２の混合粉末は、アルミニウム粉末及びカーボンナノチューブを所定のエネルギー未満でミリングしたため、カーボンナノチューブをアルミニウム粉末の内部にまで織り込むことができなかった。そのため、カーボンナノチューブ同士の間隔はアルミニウム粉末に依存し、カーボンナノチューブ同士の間隔は平均３５６μｍであり、カーボンナノチューブ同士の間隔を２１０ｎｍ以下とすることができなかった。
以上の通り、アルミニウム粉末及びカーボンナノチューブを高エネルギーでミリングすることにより、カーボンナノチューブ同士の間隔を２１０ｎｍ以下とすることができ、アルミニウム中にカーボンナノチューブを高度に分散することができた。
ここで、アルミニウム−カーボンナノチューブ複合材料の強化機構は、カーボンナノチューブの分散強化と結晶粒微細化による寄与が大きい。そして、分散体の平均粒子径について、それぞれ任意の値を上記数式（２）で示されるＯｒｏｗａｎ−Ａｓｈｂｙ ｍｏｄｅｌの式及び数式（３）に代入することにより、隣接する分散体の間隔及び分散強化量を算出した。なお、本実施例において、上記数式（２）中、Ｍは３．１、Ｇは３０ＭＰａ、ｂは０．２７ｎｍである。この結果を表２に示す。また、表２に示した各例のアルミニウム基複合材料について導電率を測定した。導電率はＪＩＳ Ｈ０５０５に準拠して測定した。なお、純アルミニウム粉末は、平均粒子径が２０μｍであるものを用いたが、ミリングにより厚さ１μｍ、長径７２μｍに扁平したため、粒子の比表面積は平均粒子径が３μｍに相当する。
表２に示すように、分散体の平均粒子径及び含有量を所定の範囲とすることにより、隣接する分散体の間隔を２１０ｎｍ以下とすることができた。そして、このようなアルミニウム基複合材料は強度及び導電率に優れていることが分かった。
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

Claims (4)

  1. 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、一部又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アルミニウム基複合材料であって、
    前記分散体の平均粒子径は２０ｎｍ以下であり、
    前記分散体の含有量は、炭素量換算で０．２５質量％以上０．７２質量％以下であり、
    隣接する前記分散体の間隔は２１０ｎｍ以下であり、
    前記隣接する分散体の間隔ｘは、下記数式（１）
    （前記数式（１）中、ｘは前記隣接する分散体の間隔（ｎｍ）、ｒ ０ は前記分散体の平均粒子径（ｎｍ）、ｆ ｖ は前記分散体の含有量（質量比）を表す。）で表される、アルミニウム基複合材料。
  2. 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に記載のアルミニウム基複合材料。
  3. 請求項１又は２に記載のアルミニウム基複合材料を備える電線。
  4. 請求項１又は２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前記添加物とを混合し、混合粉末を得る工程と、
    前記混合粉末を圧粉成形することにより、圧粉体を作製する工程と、
    前記圧粉体を６００〜６６０℃の温度で加熱することにより、前記一部又は全ての添加物を前記アルミニウム粉末におけるアルミニウムと反応させ、前記アルミニウム母相の内部に炭化アルミニウムからなる分散体を分散させる工程と、
    を有し、
    前記混合粉末を得る工程では、前記混合粉末が圧粉成形されて前記隣接する分散体の間隔が２１０ｎｍ以下となるように、前記アルミニウム粉末と前記添加物とを混合するアルミニウム基複合材料の製造方法。
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