JP7473126B2 - Aluminum-aluminum carbide composite molding and its manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、アルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体及びその製造方法に関する。より詳しくは、航空機や自動車の電子部品や電線等に好適に用いることができるアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an aluminum-aluminum carbide composite molded body and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to an aluminum-aluminum carbide composite molded body that can be suitably used for electronic parts and electric wires for aircraft and automobiles, and a manufacturing method thereof.

持続可能な社会の実現のため、環境負荷の低減が求められている。そのような状況の中、軽金属材料が注目を集めており、例えば、導電材料としての軽金属材料の利用もその例外ではない。注目されている軽金属材料の1つとして、アルミニウムがある。しかしながら、純粋なアルミニウムの機械的信頼性は低く、改善が求められている。アルミニウムの強度向上の先行研究としては、合金化や強化材の添加が主な手法として行われてきた。 To realize a sustainable society, there is a need to reduce the environmental burden. In this context, light metal materials are attracting attention, and the use of light metal materials as conductive materials is no exception. One light metal material that is attracting attention is aluminum. However, the mechanical reliability of pure aluminum is low, and improvements are required. Previous research into improving the strength of aluminum has mainly focused on alloying and adding reinforcing materials.

ここで炭素材料は、軽量であるとともに強度、熱伝導性、電気伝導性等の優れた特性を有し、他の材料の強化材(複合材)として注目されている。なお、炭素材料としては、グラフェン骨格を有するものが、その特異な構造や物性のために数多くの研究がなされている。 Carbon materials are lightweight and have excellent properties such as strength, thermal conductivity, and electrical conductivity, and are attracting attention as a reinforcing material (composite material) for other materials. In addition, carbon materials with a graphene skeleton have been the subject of much research due to their unique structure and physical properties.

アルミニウムと炭素材料を複合化したものとしては、例えば、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料と金属粒子との炭素金属複合成形体であって、該成形体は、相対密度が90%以上であり、炭素を25体積%以下含有することを特徴とする炭素金属複合成形体が開示されている(例えば、特許文献1、非特許文献1参照。)。特許文献1の実施例では、アルミニウムと酸化グラフェンの複合成形体が開示されている。 As an example of a composite of aluminum and a carbon material, a carbon-metal composite compact has been disclosed, which is made of a flaky carbon material having a graphene skeleton and metal particles, and which has a relative density of 90% or more and contains 25% or less by volume of carbon (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In the examples of Patent Document 1, a composite compact of aluminum and graphene oxide is disclosed.

またアルミニウム母相と、アルミニウム母相の内部に分散する、ロッド状(棒状)または針状の炭化アルミニウムからなる分散体とを有するアルミニウム基複合材料が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。更に、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以下であるアルミニウム基複合材料が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。 Also disclosed is an aluminum-based composite material having an aluminum matrix and a rod-shaped or needle-shaped dispersion of aluminum carbide dispersed within the aluminum matrix (see, for example, Patent Document 2). Furthermore, disclosed is an aluminum-based composite material having an aluminum matrix and a dispersion dispersed within the aluminum matrix and formed by reaction of some or all of the additives with the aluminum in the aluminum matrix, the average particle size of the dispersion being 20 nm or less, the content of the dispersion being 0.25 mass % or more and 0.72 mass % or less in terms of carbon amount, and the distance between adjacent dispersions being 210 nm or less (see, for example, Patent Document 3).

上記の他、アルミニウムと酸化グラフェンの複合体が開示されている(例えば、特許文献4、非特許文献2参照。)。 In addition to the above, a composite of aluminum and graphene oxide has been disclosed (see, for example, Patent Document 4 and Non-Patent Document 2).

またアルミニウム粉末と、炭素パウダーを混合してAlを合成し、熱処理を経て、アルミニウムマトリックスの補強に用いることが開示されている(例えば、非特許文献3参照。)。 It has also been disclosed that aluminum powder and carbon powder are mixed to synthesize Al 4 C 3 , which is then subjected to heat treatment and used to reinforce an aluminum matrix (see, for example, Non-Patent Document 3).

更に、数層のグラフェンで補強されたAlマトリックス複合体が開示されているが、323~573Kの温度範囲での繰返し熱荷重下での、当該複合体の膨張挙動のヒステリシスが報告されている(例えば、非特許文献4参照。)。 Furthermore, an Al matrix composite reinforced with several layers of graphene has been disclosed, and hysteresis has been reported in the expansion behavior of the composite under repeated thermal loading in the temperature range of 323 to 573 K (see, for example, Non-Patent Document 4).

特開2019-070186号公報JP 2019-070186 A 特開2015-227498号公報JP 2015-227498 A 特開2019-077901号公報JP 2019-077901 A 国際公開第2017/031403号公報International Publication No. 2017/031403

Weiwei Zhou et al., Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 112 (2018) 168-177Weiwei Zhou et al., Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 112 (2018) 168-177 Yunya Zhang et al., Nano Lett, 2017, 17, 6907-6915Yunya Zhang et al., Nano Lett, 2017, 17, 6907-6915 A. Santos-Beltran et al., Materials Characterization, 106 (2015) 368-374A. Santos-Beltran et al., Materials Characterization, 106 (2015) 368-374 Weiwei Zhou et al., Journal of Alloys and Compounds, 792 (2019) 988-993Weiwei Zhou et al., Journal of Alloys and Compounds, 792 (2019) 988-993

上述したように、アルミニウムと炭素材料を複合化したものとして種々の報告があるが、このようにして得られた複合体には、電気伝導率を充分なものとしながら、機械的強度を非常に優れたものとするための工夫の余地があった。この理由としては、例えば、特許文献4、非特許文献2、4に記載の発明において、複合体中に酸化グラフェンやグラフェンが残存しているところ、酸化グラフェンやグラフェンとアルミニウムとの間の強い界面接着が達成されておらず、当該界面での負荷伝達が不充分であり、グラフェン固有の強度を充分に利用できていないためであると考えられる。 As mentioned above, there are various reports on composites of aluminum and carbon materials, but there is room for improvement in order to make the composites obtained in this way have excellent mechanical strength while maintaining sufficient electrical conductivity. The reason for this is thought to be that, for example, in the inventions described in Patent Document 4 and Non-Patent Documents 2 and 4, graphene oxide or graphene remains in the composite, but strong interfacial adhesion between the graphene oxide or graphene and aluminum is not achieved, load transmission at the interface is insufficient, and the inherent strength of graphene is not fully utilized.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、例えば航空機や自動車の電子部品や電線等として用いた場合に好適な、軽量でありながら、優れた電気伝導率と優れた機械的強度を両立する材料を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned current situation, and aims to provide a material that is lightweight yet has both excellent electrical conductivity and excellent mechanical strength, making it suitable for use, for example, in electronic components and electrical wires in aircraft and automobiles.

本発明者らは、航空機や自動車の電子部品や電線等として用いた場合に好適な、軽量でありながら、電気伝導率と機械的強度を両立する材料について種々検討し、軽量の炭素材料と軽金属であるアルミニウムの粒子とを600℃を超える温度で加圧すれば、当該材料を得ることができ、上記課題を見事に解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。 The inventors conducted extensive research into a material that is lightweight yet has both electrical conductivity and mechanical strength, making it suitable for use in electronic components and electrical wires in aircraft and automobiles. They came to the conclusion that the material can be obtained by pressurizing a lightweight carbon material and particles of aluminum, a light metal, at a temperature exceeding 600°C, thereby successfully resolving the above-mentioned problems, and thus arrived at the present invention.

すなわち本発明は、アルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体を製造する方法であって、該製造方法は、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料とアルミニウム粒子とを600℃を超える温度で加圧する工程を含むことを特徴とするアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の製造方法である。 That is, the present invention is a method for producing an aluminum-aluminum carbide composite molded body, which is characterized by including a step of pressing a flaky carbon material having a graphene skeleton and aluminum particles at a temperature exceeding 600°C.

なお、特許文献2、3は、実施例で成形時に600MPaの圧力を加え、圧粉体を調製しているが、その後の圧粉体の加熱時に加圧することについては何ら開示していない。また、特許文献4、非特許文献2は、50kNの荷重をかけた後に加熱したことが開示されており、やはり加圧状態で加熱することについて何ら開示していない。特許文献4、非特許文献2に記載の発明では、上述したように、複合体中に酸化グラフェンが残存している。 In the examples of Patent Documents 2 and 3, a pressure of 600 MPa is applied during molding to prepare a powder compact, but there is no disclosure of applying pressure when subsequently heating the powder compact. Furthermore, Patent Document 4 and Non-Patent Document 2 disclose that heating is performed after applying a load of 50 kN, and again there is no disclosure of heating under pressure. In the inventions described in Patent Document 4 and Non-Patent Document 2, graphene oxide remains in the composite, as described above.

本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の製造方法は、軽量でありながら、優れた電気伝導率と優れた機械的強度を両立する成形体を得ることができるものである。 The manufacturing method of the present invention for aluminum-aluminum carbide composite moldings makes it possible to obtain moldings that are lightweight yet have both excellent electrical conductivity and excellent mechanical strength.

図1(a)は、原料酸化グラフェン(GO)のTEM画像を示す。図1(b)は、原料GOのAFM分析結果を示す。図1(c)は、シリカガラス上に置かれたGOのFESEM画像を示す。図1(d)は、FESEM観測によるGOの横方向サイズ分布の統計的結果を示す。Figure 1(a) shows a TEM image of raw graphene oxide (GO), Figure 1(b) shows the AFM analysis of raw GO, Figure 1(c) shows an FESEM image of GO placed on silica glass, and Figure 1(d) shows the statistical results of the lateral size distribution of GO observed by FESEM. 図2(a)は、原料GO、GO/Al混合粉末、及び、913Kで焼結したPCPS複合体(焼結体又は成形体)のラマンスペクトルを示す。図2(b)は、TGAにより測定した288Kから913KまでのGO粉末の重量損失を示す。Figure 2(a) shows the Raman spectra of raw GO, GO/Al mixed powder, and PCPS composite (sintered or compact) sintered at 913 K. Figure 2(b) shows the weight loss of GO powder from 288 K to 913 K measured by TGA. 図3(a)及び図3(b)は、それぞれ、0.2質量%GO/Al混合粉末を示すFESEM画像である。図3(c)及び図3(d)は、それぞれ、0.4質量%GO/Al混合粉末を示すFESEM画像である。3(a) and 3(b) are FESEM images showing 0.2 wt% GO/Al mixed powder, and (c) and (d) are FESEM images showing 0.4 wt% GO/Al mixed powder. 図4(a)~(d)は、PCPS処理した0.4質量%GO/Al複合体の横断面におけるTEM画像である。4(a)-(d) are TEM images of the cross-sections of the PCPS-treated 0.4 wt% GO/Al composites. 図5(a)は、100枚のTEM画像から測定されたAlナノロッドの直径の統計的結果を示すグラフである。図5(b)は、100枚のTEM画像から測定されたAlナノロッドの長さの統計的結果を示すグラフである。Figure 5(a) is a graph showing the statistical results of the diameter and length of Al4C3 nanorods measured from 100 TEM images , respectively. Figure 5(b) is a graph showing the statistical results of the length and diameter of Al4C3 nanorods measured from 100 TEM images. 図6(a)は、純粋なAlのEBSD-IPFマップである。図6(b)は、0.32体積%Al/Al複合体のEBSD-IPFマップである。図6(c)は、0.64体積%Al/Al複合体のEBSD-IPFマップである。図6(d)は、純粋なAlの結晶粒度分布を示すグラフである。図6(e)は、0.32体積%Al/Al複合体の結晶粒度分布を示すグラフである。図6(f)は、0.64体積%Al/Al複合体の結晶粒度分布を示すグラフである。6(a) is an EBSD-IPF map of pure Al. FIG. 6(b) is an EBSD-IPF map of a 0.32 vol.% Al 4 C 3 /Al composite. FIG. 6(c) is an EBSD-IPF map of a 0.64 vol.% Al 4 C 3 /Al composite. FIG. 6(d) is a graph showing the grain size distribution of pure Al. FIG. 6(e) is a graph showing the grain size distribution of a 0.32 vol.% Al 4 C 3 /Al composite. FIG. 6(f) is a graph showing the grain size distribution of a 0.64 vol.% Al 4 C 3 /Al composite. 図7(a)~(c)は、熱間押出された0.64体積%Al/Al複合体の縦断面のTEM画像である。7(a)-(c) are TEM images of the longitudinal section of a hot extruded 0.64 vol.% Al 4 C 3 /Al composite. 図8(a)は、純粋なAl、0.32体積%Al/Al複合体、及び、0.64体積%Al/Al複合体の公称引張応力-引張ひずみ曲線を示すグラフである。図8(b)は、純粋なAl及びAl/Al複合体の各強化メカニズムによる複合強度の理論計算結果を示すグラフである。Fig. 8(a) is a graph showing the nominal tensile stress-tensile strain curves of pure Al, 0.32 vol% Al 4 C 3 /Al composite, and 0.64 vol% Al 4 C 3 /Al composite, while Fig. 8(b) is a graph showing the theoretical calculation results of the composite strength according to each strengthening mechanism of pure Al and Al 4 C 3 /Al composite. 図9は、0.64体積%Al/Al複合体の繰返し熱膨張挙動を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the cyclic thermal expansion behavior of a 0.64 vol. % Al 4 C 3 /Al composite.

以下に本発明を詳述する。
なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい形態を2つ以上組み合わせたものもまた、本発明の好ましい形態である。
The present invention will be described in detail below.
In addition, a combination of two or more of the individual preferred embodiments of the present invention described below is also a preferred embodiment of the present invention.

<本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の製造方法>
本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の製造方法は、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料(以下、単に炭素材料とも言う。)とアルミニウム粒子とを600℃を超える温度で加圧する工程を含む。
これにより、原料のグラフェン骨格を有する薄片状炭素材料がアルミニウムカーバイドに変換され、成形体内においてアルミニウムカーバイドとアルミニウムマトリックスとの界面が非常に安定であるため、充分な電気伝導率を有しながら、機械的強度が非常に優れるアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体を得ることができる。
<Method of manufacturing aluminum-aluminum carbide composite molded body of the present invention>
The method for producing an aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention includes a step of pressing a flaky carbon material having a graphene skeleton (hereinafter also simply referred to as a carbon material) and aluminum particles at a temperature exceeding 600°C.
As a result, the raw material, a flaky carbon material having a graphene skeleton, is converted into aluminum carbide, and the interface between the aluminum carbide and the aluminum matrix within the compact is very stable, making it possible to obtain an aluminum-aluminum carbide composite compact that has sufficient electrical conductivity and excellent mechanical strength.

上記加圧工程における圧力は、常圧(大気圧)を超える圧力であればよい。上記圧力は、好ましくは0.2MPa以上であり、より好ましくは0.5MPa以上であり、更に好ましくは1MPa以上であり、一層好ましくは5MPa以上であり、より一層好ましくは10MPa以上であり、更に一層好ましくは20MPa以上であり、特に好ましくは30MPa以上である。
上記圧力は、その上限値は特に限定されないが、好ましくは500MPa以下であり、より好ましくは300MPa以下であり、更に好ましくは200MPa以下であり、特に好ましくは100MPa以下である。
The pressure in the pressurizing step may be any pressure that exceeds normal pressure (atmospheric pressure). The pressure is preferably 0.2 MPa or more, more preferably 0.5 MPa or more, even more preferably 1 MPa or more, even more preferably 5 MPa or more, even more preferably 10 MPa or more, even more preferably 20 MPa or more, and particularly preferably 30 MPa or more.
The upper limit of the pressure is not particularly limited, but is preferably 500 MPa or less, more preferably 300 MPa or less, further preferably 200 MPa or less, and particularly preferably 100 MPa or less.

上記加圧工程における温度は、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料とアルミニウム粒子との反応によるAlの生成反応の観点から、610℃以上が好ましく、620℃以上がより好ましく、630℃以上が更に好ましく、640℃以上が特に好ましい。
上記温度は、その上限は特に限定されないが、670℃以下が好ましく、660℃以下がより好ましい。
すなわち、上記加圧工程における温度の特に好ましい範囲は、640~660℃である。
The temperature in the above-mentioned pressurizing step is preferably 610°C or higher, more preferably 620°C or higher, even more preferably 630°C or higher, and particularly preferably 640°C or higher, from the viewpoint of the reaction of producing Al3C4 by the reaction between the flaky carbon material having a graphene skeleton and the aluminum particles.
The upper limit of the temperature is not particularly limited, but is preferably 670° C. or less, and more preferably 660° C. or less.
That is, the particularly preferred range of the temperature in the pressurizing step is 640 to 660°C.

また上記温度は、用いるアルミニウム粒子の融点(Tm)未満であることが好ましい。より好ましくは、用いるアルミニウム粒子の融点よりも10℃以上低い(〔Tm-10〕℃以下である)ことである。 Furthermore, the above temperature is preferably lower than the melting point (Tm) of the aluminum particles used. More preferably, it is at least 10°C lower than the melting point of the aluminum particles used ([Tm-10]°C or lower).

上記加圧工程は、パルス通電加圧焼結法(PCPS)で焼結する工程であることがより好ましい。
特にパルス通電加圧焼結により、材料全体に対して均一な焼結が可能となり、加圧工程が、炭素材料が移動しやすくなるような高温であっても、その凝集を充分に防止しつつ、より緻密な成形体を作製することができ、強度に優れる効果が顕著なものとなる。
The above-mentioned pressurizing step is more preferably a step of sintering by pulse current pressure sintering (PCPS).
In particular, pulse current pressure sintering makes it possible to uniformly sinter the entire material, and even if the pressure process is performed at a high temperature that makes the carbon material more mobile, it is possible to produce a denser molded body while fully preventing agglomeration, resulting in a remarkable effect of excellent strength.

上記加圧工程をおこなう時間は、1分~1時間が好ましい。より好ましくは2分~30分であり、更に好ましくは3分~20分である。
上記加圧工程は、空気中で行ってもよく、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。
The time for carrying out the pressurizing step is preferably 1 minute to 1 hour, more preferably 2 minutes to 30 minutes, and further preferably 3 minutes to 20 minutes.
The pressurizing step may be carried out in air or in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen, helium, or argon.

(グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料)
本発明の製造方法で用いる上記グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料は、sp結合で結合した炭素(C)を有し、該炭素が薄片状に(平面的に)並んだものである層状構造を有する限り特に制限されない。具体的には、該炭素材料は、sp結合で結合した炭素原子が平面的に並んだ層(単層)のみからなる構造を有するものであってもよく、該層が2層以上積層した構造を有するものであってもよい。該炭素材料は、例えば、1層のみからなる単層構造を有するか、又は、2~100層程度積層した構造を有するものが好ましい。
(Flake-like carbon material having a graphene skeleton)
The flaky carbon material having a graphene skeleton used in the production method of the present invention is not particularly limited as long as it has carbon (C) bonded by sp2 bonds and has a layered structure in which the carbon is arranged in a flaky shape (planarly). Specifically, the carbon material may have a structure consisting of only a layer (single layer) in which carbon atoms bonded by sp2 bonds are arranged in a planar shape, or may have a structure in which two or more layers are stacked. The carbon material preferably has, for example, a single layer structure consisting of only one layer, or a structure in which about 2 to 100 layers are stacked.

上記炭素材料は、酸素(O)と結合した炭素を有するものであることが好ましい。例えば、上記炭素材料は、酸化黒鉛であることがより好ましい。更に好ましくは、グラフェンの炭素に酸素が結合した酸化グラフェン(本明細書中、GOともいう。)である。
すなわち、本発明の製造方法において、上記グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料は、酸化グラフェンであることが好ましい。
なお、一般的にグラフェンとは、sp結合で結合した炭素原子が平面的に並んだ1層からなるシートをいい、グラフェンシートが多数積層されたものはグラファイトといわれるが、上記酸化グラフェンは、1層のみからなるシートのみではなく、2~100層程度積層した構造を有するものも含まれる。
The carbon material preferably has carbon bonded to oxygen (O). For example, the carbon material is more preferably graphite oxide. More preferably, the carbon material is graphene oxide (also referred to as GO in this specification) in which oxygen is bonded to the carbon of graphene.
That is, in the production method of the present invention, the flaky carbon material having a graphene skeleton is preferably graphene oxide.
In general, graphene refers to a sheet consisting of one layer in which carbon atoms bonded by sp2 bonds are arranged in a plane, and a stack of many graphene sheets is called graphite. However, the above-mentioned graphene oxide includes not only a sheet consisting of a single layer, but also a sheet having a structure in which about 2 to 100 layers are stacked.

なお、上記炭素材料は、例えば、複合化の原料である酸化黒鉛が複合化の際に加熱等されて還元され、本発明の製造方法により得られるアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体中で還元型酸化黒鉛となっていることが好ましい。すなわち、本発明の製造方法により得られるアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体は、還元型酸化黒鉛を含むことが好ましい。より好ましくは、還元型酸化グラフェンを含むことである。
上記炭素材料は、更に、カルボキシル基、水酸基、硫黄含有基、脂環型エポキシ基等の官能基を有していてもよい。
It is preferable that the carbon material is, for example, graphite oxide, which is a raw material for the composite, is heated or otherwise reduced during the composite formation, and becomes reduced graphite oxide in the aluminum-aluminum carbide composite molded product obtained by the production method of the present invention. That is, the aluminum-aluminum carbide composite molded product obtained by the production method of the present invention preferably contains reduced graphite oxide. More preferably, it contains reduced graphene oxide.
The carbon material may further have a functional group such as a carboxyl group, a hydroxyl group, a sulfur-containing group, or an alicyclic epoxy group.

上記炭素材料は、中でも、2~50層程度積層した構造を有するものが好ましく、2~15層程度積層した構造を有するものがより好ましく、2~9層程度積層した構造を有するものが更に好ましい。2~9層程度積層した構造を有するものを、FLG(数層のグラフェン:a few layers of graphen)とも言う。なお、FLGは、数層のグラフェンであってもよく、数層の酸化グラフェンであってもよく、数層の還元型酸化グラフェンであってもよいが、数層の酸化グラフェン又は数層の還元型酸化グラフェンであることが好ましい。
なお、このようなsp結合で結合した炭素原子が平面的に並んだシートの積層数は、TEM画像の断面図における、距離に対する強度のピーク数として表される。
Among the above carbon materials, those having a structure in which about 2 to 50 layers are laminated are preferred, those having a structure in which about 2 to 15 layers are more preferred, and those having a structure in which about 2 to 9 layers are further preferred. Those having a structure in which about 2 to 9 layers are laminated are also called FLG (few layers of graphene). Note that FLG may be a few layers of graphene, a few layers of graphene oxide, or a few layers of reduced graphene oxide, but it is preferably a few layers of graphene oxide or a few layers of reduced graphene oxide.
The number of layers of sheets in which carbon atoms bonded with sp2 bonds are arranged in a plane is expressed as the number of intensity peaks with respect to distance in a cross-sectional view of a TEM image.

上記炭素材料は、比表面積が1m/g以上であることが好ましく、10m/g以上であることがより好ましい。このような比表面積の炭素材料は、アルミニウム粒子と複合化させた際に、より高い分散性を発揮することが可能となる。該比表面積は、その上限は特に限定されないが、例えば2000m/g以下とすることができる。
上記比表面積は、窒素吸着BET法で比表面積測定装置により測定することができる。
The carbon material preferably has a specific surface area of 1 m 2 /g or more, more preferably 10 m 2 /g or more. A carbon material with such a specific surface area can exhibit higher dispersibility when composited with aluminum particles. The upper limit of the specific surface area is not particularly limited, but it can be, for example, 2000 m 2 /g or less.
The specific surface area can be measured by a nitrogen adsorption BET method using a specific surface area measuring device.

上記炭素材料は、平均粒子径が1000μm以下であるものが好ましい。また、該平均粒子径は、5nm以上であることが好ましい。
上記平均粒子径は、粒度分布測定装置により測定することができる。
なお、平均粒子径が上述のような範囲の粒子は、例えば、粒子をボールミル等により粉砕し、得られた粗粒子を分散剤に分散させて所望の粒子径にした後に乾固する方法や、該粗粒子をふるい等にかけて粒子径を選別する方法のほか、粒子を製造する段階で調製条件を最適化し、所望の粒子径の粒子を得る方法等により製造することが可能である。
The carbon material preferably has an average particle size of 1000 μm or less, and more preferably has an average particle size of 5 nm or more.
The average particle size can be measured by a particle size distribution measuring device.
Particles having an average particle size in the above-mentioned range can be produced, for example, by a method in which particles are pulverized using a ball mill or the like, the resulting coarse particles are dispersed in a dispersant to obtain a desired particle size, and then dried and solidified, or by a method in which the coarse particles are sieved or the like to select the particle size, or by a method in which preparation conditions are optimized in the particle production stage to obtain particles having a desired particle size.

上記炭素材料は、薄片面(薄片主面)の平均径が0.1μm以上であることが好ましく、0.3μm以上であることがより好ましく、0.5μm以上であることが更に好ましく、1.0μm以上であることが特に好ましい。
上記薄片面の平均径は、15μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましく、8μm以下であることが更に好ましく、5μm以下であることが特に好ましい。
上記薄片面の平均径は、電解放出型走査電子顕微鏡(FESEM)の画像から算出できる。適当な倍率で20か所以上測定し、測定結果より求めた個数基準の平均値を採用することが好ましい。
The carbon material preferably has an average diameter of the flake surface (thin flake main surface) of 0.1 μm or more, more preferably 0.3 μm or more, further preferably 0.5 μm or more, and particularly preferably 1.0 μm or more.
The average diameter of the above-mentioned thin surface is preferably 15 μm or less, more preferably 10 μm or less, further preferably 8 μm or less, and particularly preferably 5 μm or less.
The average diameter of the above-mentioned flake surface can be calculated from an image of a field emission scanning electron microscope (FESEM). It is preferable to measure 20 or more points at an appropriate magnification and use the number-based average value obtained from the measurement results.

上記炭素材料は、グラファイトを公知の酸化剤で処理して得ることができ、例えば、改変されたハマーズ法(Modified Hummers Method)により過マンガン酸カリウムで処理し、必要に応じて溶媒中で超音波処理や、遠心分離処理等の固液分離処理を行うことで好適に得ることができる。 The above carbon material can be obtained by treating graphite with a known oxidizing agent, for example, by treating it with potassium permanganate using the modified Hummers method, and, if necessary, by performing a solid-liquid separation process such as ultrasonic treatment or centrifugation in a solvent.

本発明の製造方法において、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料の使用量(好ましくは、添加量)は、アルミニウム粒子100質量%に対して、10質量%以下であることが好ましい。当該炭素材料の使用量が10質量%を超えると、アルミニウムの結晶成長が抑制され、結晶粒界の影響で電気伝導性が非常に優れたものとならないおそれがある。また、本発明の製造方法で得られる成形体の機械的強度、伸び率も非常に優れたものとならないおそれがある。上記使用量は、5質量%以下であることがより好ましく、3質量%以下であることが更に好ましく、1質量%以下であることが一層好ましく、0.8質量%以下であることがより一層好ましく、0.5質量%以下であることが特に好ましい。これにより、本発明の製造方法で得られる成形体は、結晶粒界の影響が小さくなる点で、電気伝導性がより優れたものとなる。
上記使用量は、その下限は特に限定されないが、本発明の製造方法により得られた成形体において、炭素の存在、及び、その存在によりアルミニウムの結晶粒径を適度に小さくすることで機械的強度を発揮する観点や、成形時に還元された炭素材料により電気伝導性を優れたものとする点から、例えば、0.01質量%以上であることが好ましく、0.05質量%以上であることがより好ましく、0.1質量%以上であることが更に好ましい。なお、炭素材料が有する潤滑性により成形体の摺動特性を優れたものとすることもできる。
In the manufacturing method of the present invention, the amount of the flaky carbon material having a graphene skeleton used (preferably, the amount added) is preferably 10% by mass or less relative to 100% by mass of aluminum particles. If the amount of the carbon material used exceeds 10% by mass, the crystal growth of aluminum is suppressed, and the electrical conductivity may not be very good due to the influence of the grain boundaries. In addition, the mechanical strength and elongation of the molded body obtained by the manufacturing method of the present invention may not be very good. The amount used is more preferably 5% by mass or less, even more preferably 3% by mass or less, even more preferably 1% by mass or less, even more preferably 0.8% by mass or less, and particularly preferably 0.5% by mass or less. As a result, the molded body obtained by the manufacturing method of the present invention has better electrical conductivity in that the influence of the grain boundaries is reduced.
The amount of use is not particularly limited to a lower limit, but from the viewpoint of exerting mechanical strength by the presence of carbon and by appropriately reducing the crystal grain size of aluminum due to the presence of carbon in the molded body obtained by the manufacturing method of the present invention, and from the viewpoint of making the electrical conductivity excellent due to the carbon material reduced during molding, for example, it is preferably 0.01 mass% or more, more preferably 0.05 mass% or more, and even more preferably 0.1 mass% or more. In addition, the lubricity of the carbon material can also make the sliding properties of the molded body excellent.

(アルミニウム粒子)
本発明の製造方法で用いるアルミニウム粒子は、アルミニウムの単体及び/又は合金を主成分(質量割合で最大の成分)とする粒子であればよい。
本発明の製造方法において、上記アルミニウム粒子は、アルミニウムの単体及び/又は合金から構成されるものであることが好ましい。
(Aluminum particles)
The aluminum particles used in the production method of the present invention may be particles containing aluminum as a primary component (the largest component in terms of mass proportion) and/or an alloy.
In the production method of the present invention, the aluminum particles are preferably composed of elemental aluminum and/or an alloy.

上記アルミニウム粒子が合金である場合、アルミニウムとともに用いられる他の元素は特に限定されないが、例えば、マグネシウム、ケイ素、チタン、ニッケル、銅、鉄、ジルコニウム、銀、及び、スズからなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、中でもマグネシウム、チタン、ニッケル、銅、鉄、銀、及び、スズからなる群より選択される少なくとも1種が更に好ましい。
なお、上記アルミニウム粒子は、添加剤としてケイ素やジルコニウムを更に含んでいても構わない。また、本発明に係る合金粒子を構成する他の元素は、結晶性であることが好ましい。
上記アルミニウム粒子は、より好ましくは、アルミニウムの単体から構成されるものである。
When the aluminum particles are an alloy, the other elements used together with the aluminum are not particularly limited, but are preferably at least one selected from the group consisting of magnesium, silicon, titanium, nickel, copper, iron, zirconium, silver, and tin, and more preferably at least one selected from the group consisting of magnesium, titanium, nickel, copper, iron, silver, and tin.
The aluminum particles may further contain silicon or zirconium as an additive. The other elements constituting the alloy particles according to the present invention are preferably crystalline.
The aluminum particles are more preferably composed of simple aluminum.

上記アルミニウム粒子の融点は、不純物の種類や純度により異なるが、炭素材料との反応によるAlの生成反応の観点から、630℃以上であることが好ましい。
上記アルミニウム粒子の融点は、より好ましくは640℃以上である。
上記アルミニウム粒子の融点は、その上限は特に限定されないが、通常は670℃以下である。
すなわち、上記アルミニウム粒子は、融点が640~670℃のアルミニウム粒子であることが特に好ましい。
The melting point of the aluminum particles varies depending on the type and purity of impurities, but is preferably 630° C. or higher from the viewpoint of the reaction with the carbon material to produce Al 4 C 3 .
The melting point of the aluminum particles is more preferably 640° C. or higher.
The melting point of the aluminum particles is not particularly limited, but is usually 670° C. or lower.
That is, it is particularly preferable that the aluminum particles have a melting point of 640 to 670°C.

上記アルミニウム粒子は、平均粒子径が1.0μm以上であるものが好ましい。より好ましくは、3.0μm以上である。平均粒子径が1.0μm未満であると、比表面積が増加し、粒子表面のAl量が増加し、本発明の効果を顕著なものとする観点からは望ましくない。
また、該平均粒子径は、その上限は特に限定されないが、通常は100μm以下であり、好ましくは20μm以下である。
本明細書中、アルミニウム粒子の平均粒子径は、体積基準の平均粒子径であり、レーザー回折散乱法にて測定されるものである。
The aluminum particles preferably have an average particle size of 1.0 μm or more. More preferably, the average particle size is 3.0 μm or more. If the average particle size is less than 1.0 μm, the specific surface area increases, and the amount of Al 2 O 3 on the particle surface increases, which is undesirable from the viewpoint of making the effects of the present invention significant.
The upper limit of the average particle size is not particularly limited, but is usually 100 μm or less, and preferably 20 μm or less.
In this specification, the average particle size of the aluminum particles is a volume-based average particle size measured by a laser diffraction scattering method.

上記アルミニウム粒子は、上述したように、アルミニウム単体及び/またはアルミニウム合金以外の不純物を含んでいてもかまわない。
不純物としては、市販品のアルミニウム粒子に含まれる一般的なものが挙げられる。
不純物の含有割合は、粒子100質量%中、5質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、0.3質量%以下であることが特に好ましい。
As described above, the aluminum particles may contain impurities other than elemental aluminum and/or aluminum alloys.
The impurities include those typically contained in commercially available aluminum particles.
The content of impurities is preferably 5% by mass or less, more preferably 2% by mass or less, further preferably 1% by mass or less, and particularly preferably 0.3% by mass or less, based on 100% by mass of the particles.

本発明の製造方法は、炭素材料、アルミニウム粒子をそれぞれ1種ずつ用いて複合化されたものであってもよく、2種以上用いて複合化されたものであってもよい。また、炭素材料、アルミニウム粒子以外のその他の成分を含んでいてもよいが、その他の成分の含有量は、成形体の原料100質量%中、3質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以下であることが更に好ましい。中でも、本発明の炭素金属複合成形体の原料がその他の成分を実質的に含有しないことが特に好ましい。 The manufacturing method of the present invention may be a composite using one type each of carbon material and aluminum particles, or may be a composite using two or more types. In addition, other components other than the carbon material and aluminum particles may be included, but the content of other components is preferably 3 mass% or less, more preferably 1 mass% or less, and even more preferably 0.1 mass% or less, based on 100 mass% of the raw material for the molded body. In particular, it is particularly preferable that the raw material for the carbon metal composite molded body of the present invention does not substantially contain other components.

本発明の炭素金属複合成形体は、種々の用途への適用可能性があるが、材料の軽量化も達成できる観点からは、例えば航空機や自動車の電子部品や電線等として用いられることが好ましい。 The carbon metal composite molding of the present invention can be used in a variety of applications, but from the viewpoint of achieving weight reduction of the material, it is preferable to use it as, for example, electronic parts and electric wires for aircraft and automobiles.

本発明の製造方法は、加圧工程前に、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料とアルミニウム粒子とを混合する工程を更に含むことが好ましい。また、該混合工程により、該炭素材料とアルミニウム粒子との複合粉末を得ることがより好ましい。
上記混合工程は、例えば、アルミニウム粒子が分散した水中に、上記炭素材料の水分散体を滴下し、得られた該炭素材料とアルミニウム粒子との複合粉末をろ過し、乾燥することによって行うことができる。なお、アルミニウム粒子が分散した水は、アルミニウム粒子と水とを撹拌し、超音波処理を行うこと等によってより均一に混合して調製することが好ましい。
The method of the present invention preferably further comprises a step of mixing the flaky carbon material having a graphene skeleton with aluminum particles before the pressurizing step, and more preferably obtains a composite powder of the carbon material and the aluminum particles by the mixing step.
The mixing step can be carried out, for example, by dropping the aqueous dispersion of the carbon material into water in which aluminum particles are dispersed, and filtering and drying the composite powder of the carbon material and aluminum particles obtained. Note that the water in which aluminum particles are dispersed is preferably prepared by stirring the aluminum particles and water, subjecting them to ultrasonic treatment, or the like, to more uniform mixing.

上記混合工程によりアルミニウム粒子と上記炭素材料との複合粉末を調製する過程において、アルミニウム粒子と該炭素材料とを結合させる手法としては、ボールミル混合、表面修飾剤の使用、静電的相互作用の利用等が挙げられる。中でも、上記炭素材料へ与えるダメージ等を避けて電気伝導性をより優れたものとする観点からは、ボールミル混合以外の方法、例えば、静電的相互作用を利用する手法が特に好ましい。エーテル基やカルボニル基を有するために水中で負に帯電する炭素材料と静電的相互作用をする点から、例えば、水中で正に帯電する(25℃水溶液でのゼータ電位が0となる点(等電点)がpH>7)酸化物被膜を有するアルミニウム粒子を使用してもかまわない。 In the process of preparing a composite powder of aluminum particles and the carbon material by the above-mentioned mixing step, methods for bonding the aluminum particles and the carbon material include ball mill mixing, the use of a surface modifier, and the use of electrostatic interaction. Among them, from the viewpoint of improving electrical conductivity while avoiding damage to the carbon material, a method other than ball mill mixing, for example, a method using electrostatic interaction, is particularly preferred. For example, aluminum particles having an oxide coating that is positively charged in water (the point at which the zeta potential in a 25°C aqueous solution becomes 0 (isoelectric point) is pH>7) may be used in order to electrostatically interact with the carbon material that is negatively charged in water due to having ether groups or carbonyl groups.

本発明の製造方法は、加圧工程で得られた成形体に圧力を加えて変形させる工程を更に含むことが好ましい。本発明の製造方法により、成形体中のアルミニウム粒子が高アスペクト比となり、特定の方向の強度に非常に優れる成形体とすることができる。
本明細書中、圧力を加えて変形させる工程は、特に限定されないが、材料を加圧したうえで少なくとも一方向に伸ばす工程であることが好ましく、例えば、ローラーを用いて材料を膜状に伸ばす圧延工程、型枠等を用いる押出工程や、平板プレス等で膜状に成形する工程、射出成形工程、キャスト工程等が挙げられる。
The manufacturing method of the present invention preferably further includes a step of applying pressure to the molded body obtained in the pressing step to deform it. By the manufacturing method of the present invention, the aluminum particles in the molded body have a high aspect ratio, and it is possible to obtain a molded body having excellent strength in a specific direction.
In this specification, the step of deforming by applying pressure is not particularly limited, but is preferably a step of applying pressure to a material and stretching it in at least one direction, and examples thereof include a rolling step of stretching a material into a film shape using rollers, an extrusion step using a mold or the like, a step of forming a material into a film shape using a plate press or the like, an injection molding step, a casting step, and the like.

上記圧力を加えて変形させる工程における圧力は、特に限定されないが、0.1kN/mm以上であることが好ましく、0.5kN/mm以上であることがより好ましく、1kN/mm以上であることが更に好ましい。
また上記圧力は、50kN/mm以下であることが好ましく、10kN/mm以下であることがより好ましい。
The pressure in the above-mentioned step of applying pressure to cause deformation is not particularly limited, but is preferably 0.1 kN/ mm2 or more, more preferably 0.5 kN/ mm2 or more, and even more preferably 1 kN/ mm2 or more.
Moreover, the pressure is preferably 50 kN/mm2 or less, and more preferably 10 kN/ mm2 or less.

上記圧力を加えて変形させる工程における温度は、200℃以上が好ましい。より好ましくは300℃以上であり、更に好ましくは400℃以上である。また、該温度は、2000℃以下であることが好ましく、1000℃以下であることがより好ましく、700℃以下であることが更に好ましい。
上記圧力を加えて変形させる工程は、空気中で行ってもよく、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。
The temperature in the step of applying pressure to cause deformation is preferably 200° C. or higher, more preferably 300° C. or higher, and even more preferably 400° C. or higher. The temperature is preferably 2000° C. or lower, more preferably 1000° C. or lower, and even more preferably 700° C. or lower.
The step of applying pressure to cause deformation may be carried out in air or in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen, helium, or argon.

上記圧力を加えて変形させる工程としては、上述した中でも、押出工程、圧延工程が好ましい。特に圧延工程が生産性に優れる点で好ましい。 Among the above-mentioned processes for applying pressure to cause deformation, the extrusion process and rolling process are preferred. The rolling process is particularly preferred in terms of its excellent productivity.

以下では、一例として、押出工程について詳しく説明する。
上記押出工程における押出荷重は、100kN以上であることが好ましく、200kN以上であることがより好ましく、300kN以上であることが更に好ましい。
また上記押出荷重は、1000kN以下であることが好ましく、800kN以下であることがより好ましい。
In the following, the extrusion process will be described in detail as an example.
The extrusion load in the extrusion step is preferably 100 kN or more, more preferably 200 kN or more, and even more preferably 300 kN or more.
The pushing load is preferably 1000 kN or less, and more preferably 800 kN or less.

上記押出工程における押出速度は、0.01m/h以上であることが好ましく、0.02m/h以上であることがより好ましく、0.04m/h以上であることが更に好ましい。
また上記押出速度は、1m/h以下であることが好ましく、0.5m/h以下であることがより好ましく、0.2m/h以下であることが更に好ましい。
The extrusion speed in the extrusion step is preferably 0.01 m/h or more, more preferably 0.02 m/h or more, and even more preferably 0.04 m/h or more.
The extrusion speed is preferably 1 m/h or less, more preferably 0.5 m/h or less, and even more preferably 0.2 m/h or less.

上記押出工程における押出比率は、1以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましく、10以上であることが更に好ましい。
また上記押出比率は、200以下であることが好ましく、100以下であることがより好ましく、40以下であることが更に好ましい。
なお、押出比率は、材料の押出方向と垂直な断面において、材料を押し付ける側の金型の断面積を材料が出てくる側の金型の断面積で割った値である。
The extrusion ratio in the extrusion step is preferably 1 or more, more preferably 5 or more, and even more preferably 10 or more.
The extrusion ratio is preferably 200 or less, more preferably 100 or less, and even more preferably 40 or less.
The extrusion ratio is the value obtained by dividing the cross-sectional area of the die on the side pressing the material by the cross-sectional area of the die from which the material comes out in a cross section perpendicular to the extrusion direction of the material.

上記押出工程は、例えば、熱間押出する工程であることが好ましい。熱間押出する工程における好ましい温度範囲は、上記変形工程における好ましい温度範囲と同様である。 The extrusion process is preferably, for example, a hot extrusion process. The preferred temperature range in the hot extrusion process is the same as the preferred temperature range in the deformation process.

本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の製造方法で得られるアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の好ましい形態は、後述する本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の好ましい形態と同様である。 The preferred form of the aluminum-aluminum carbide composite molded body obtained by the method for producing an aluminum-aluminum carbide composite molded body of the present invention is the same as the preferred form of the aluminum-aluminum carbide composite molded body of the present invention described below.

(本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体)
本発明は、本発明の製造方法を用いて得られることを特徴とするアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体でもある。
本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体は、成形体100質量%中、アルミニウムカーバイドを0.01体積%以上、5.0体積%以下含むことが好ましい。
アルミニウムカーバイドの含有量は、本発明の成形体の炭素・硫黄分析やCHN(Elemental analysis(Carbon,Hydrogen,Nitrogen))分析からC含有量を測定するとともに、後述するように、ラマン分光測定によって得られるスペクトルチャートにおいてDバンドのピークとGバンドのピークが示されないことを確認することで、原料の炭素材料が実質的に全てAlに変化していることを確認したうえで、当該C含有量からAl含有量を算出することができる。
本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体は、アルミニウムカーバイドを含むことで、電気伝導性が充分なものであると共に、機械的強度に非常に優れる。
更に、本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体におけるアルミニウムカーバイドの含有量は、0.1体積%以上であることがより好ましく、0.2体積%以上であることが更に好ましい。また、当該アルミニウムカーバイドの含有量は、2.0体積%以下であることがより好ましく、1.0体積%以下であることが更に好ましい。
(Aluminum-aluminum carbide composite molding of the present invention)
The present invention also relates to an aluminum-aluminum carbide composite molded product obtained by using the production method of the present invention.
The aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention preferably contains 0.01 vol % or more and 5.0 vol % or less of aluminum carbide based on 100 mass % of the molded product.
The aluminum carbide content can be determined by measuring the C content from carbon/sulfur analysis and CHN (Elemental analysis (Carbon, Hydrogen, Nitrogen)) analysis of the molded body of the present invention, and by confirming that no D band peak or G band peak is shown in a spectrum chart obtained by Raman spectroscopy, as described below, after confirming that substantially all of the raw carbon material has been converted to Al 4 C 3 , the Al 4 C 3 content can be calculated from the C content.
The aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention contains aluminum carbide, and therefore has sufficient electrical conductivity and also has excellent mechanical strength.
Furthermore, the aluminum carbide content in the aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention is more preferably 0.1% by volume or more, and even more preferably 0.2% by volume or more, and more preferably 2.0% by volume or less, and even more preferably 1.0% by volume or less.

本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体は、成形体100質量%中、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料の含有量が0.1質量%以下であることが好ましい。当該炭素材料の含有量が0.1質量%を超えると、結晶粒界の影響で電気伝導性が非常に優れたものとならないおそれがある。また、本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の機械的強度、伸び率も非常に優れたものとならないおそれがある。
本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体は、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料を含まないことがより好ましい。
グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料を含まないことは、後述するように、ラマン分光測定によって得られるスペクトルチャートにおいてDバンドのピークとGバンドのピークが示されないことを確認することで確認できる。
In the aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention, the content of the flaky carbon material having a graphene skeleton is preferably 0.1 mass% or less in 100 mass% of the molded product. If the content of the carbon material exceeds 0.1 mass%, the electrical conductivity may not be very good due to the influence of the crystal grain boundaries. Furthermore, the mechanical strength and elongation of the aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention may not be very good.
It is more preferable that the aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention does not contain a flaky carbon material having a graphene skeleton.
The absence of a flaky carbon material having a graphene skeleton can be confirmed by confirming that a spectrum chart obtained by Raman spectroscopy does not show a D band peak or a G band peak, as described below.

本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体は、ラマン分光測定によって得られるスペクトルチャートにおいて1250~1500cm-1の範囲内にDバンドのピークを示さず、1500~1650cm-1の範囲内にGバンドのピークを示さないことが好ましい。
「1250~1500cm-1の範囲内にDバンドのピークを示さず」とは、1250~1500cm-1の範囲内にピークトップがあるDバンドに帰するピークが、存在しないか、スペクトルチャートのノイズ高さの平均変動幅の3倍以上の高さを示していないことを言う。
「1500~1650cm-1の範囲内にGバンドのピークを示さない」についても同様である。
ラマン分光測定は、実施例に記載の条件で行うものである。
It is preferred that the aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention does not exhibit a D band peak in the range of 1250 to 1500 cm -1 and does not exhibit a G band peak in the range of 1500 to 1650 cm -1 in a spectrum chart obtained by Raman spectroscopy.
The phrase "does not show a D band peak within the range of 1250 to 1500 cm " means that a peak attributed to a D band having a peak top within the range of 1250 to 1500 cm is not present or does not show a height three or more times the average fluctuation width of the noise height of the spectrum chart.
The same applies to "not exhibiting a G band peak within the range of 1500 to 1650 cm -1 ".
The Raman spectroscopy is carried out under the conditions described in the Examples.

本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体は、上記アルミニウム粒子の含有量が95~99.99体積%であることが好ましい。上記金属粒子の含有量は、より好ましくは、97~99.9体積%であり、更に好ましくは、98~99.8体積%であり、一層好ましくは、99~99.7体積%である。特に好ましくは、99.2体積%以上である。 The aluminum-aluminum carbide composite molding of the present invention preferably has an aluminum particle content of 95 to 99.99% by volume. The metal particle content is more preferably 97 to 99.9% by volume, even more preferably 98 to 99.8% by volume, and even more preferably 99 to 99.7% by volume. It is particularly preferably 99.2% by volume or more.

本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体中の上記アルミニウム粒子由来の金属の短軸径の平均グレインサイズ(例えば、加圧工程で得られた成形体に圧力を加えて変形させる工程を経て得られた成形体において、変形工程における加圧方向と垂直な面を観察した際のグレインサイズ)は、1.0μm以上、5.0μm以下が好ましく、1.5μm以上、4.0μm以下がより好ましい。
上記平均グレインサイズが1.0μm以上であることにより、強度に優れる効果をより顕著なものとすることができる。
上記平均グレインサイズは、実施例で後述するようにEBSDで測定することができる。
The average grain size of the minor axis diameter of the metal derived from the aluminum particles in the aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention (for example, the grain size when observing a plane perpendicular to the pressure direction in the deformation step in a molded product obtained by applying pressure to the molded product obtained in the pressurizing step) is preferably 1.0 μm or more and 5.0 μm or less, and more preferably 1.5 μm or more and 4.0 μm or less.
When the average grain size is 1.0 μm or more, the effect of excellent strength can be made more remarkable.
The average grain size can be measured by EBSD as described later in the Examples.

本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体は、炭素材料がアルミニウム粒子に複合化したものであり、例えば炭素材料とアルミニウム粒子とを600℃を超える温度で加圧することにより得られるペレット状等の成形体や、これに圧力を加えて変形させたもの等が挙げられる。加圧により得られるペレット状等の成形体は、電気伝導率と機械的強度に優れるとともに、これに圧力を加えて変形させることができる。
本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体としては、形状や大きさは特に限定されず、たとえば、ペレット状の他、フィルム状、シート状、繊維状、柱状、立方体状、球状等が挙げられる。
The aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention is a product in which a carbon material is composited with aluminum particles, and examples of such molded products include pellet-like molded products obtained by pressing a carbon material and aluminum particles at a temperature exceeding 600° C., and molded products obtained by applying pressure to such molded products. The pellet-like molded products obtained by pressing have excellent electrical conductivity and mechanical strength, and can be deformed by applying pressure to such molded products.
The shape and size of the aluminum-aluminum carbide composite molded product of the present invention are not particularly limited, and examples thereof include pellets, as well as films, sheets, fibers, columns, cubes, spheres, and the like.

上述した本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の製造方法の好適な態様で得られるアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体もまた、本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の好ましい形態である。例えば、本発明は、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料とアルミニウム粒子とを用いて得られるアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体であって、該グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料の使用量が1質量%以下であることを特徴とするアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体でもある。 The aluminum-aluminum carbide composite molded body obtained by the preferred embodiment of the method for producing an aluminum-aluminum carbide composite molded body of the present invention described above is also a preferred form of the aluminum-aluminum carbide composite molded body of the present invention. For example, the present invention is also an aluminum-aluminum carbide composite molded body obtained by using a flaky carbon material having a graphene skeleton and aluminum particles, characterized in that the amount of the flaky carbon material having a graphene skeleton used is 1 mass % or less.

本発明のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体は、軽量でありながら、優れた電気伝導率と優れた機械的強度を両立でき、例えば航空機や自動車の電子部品や電線等として用いた場合に好適である。 The aluminum-aluminum carbide composite molding of the present invention is lightweight yet has excellent electrical conductivity and mechanical strength, making it suitable for use, for example, in electronic components and electrical wires for aircraft and automobiles.

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「重量部」を、「%」は「質量%」を意味するものとする。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. Unless otherwise specified, "parts" means "parts by weight" and "%" means "% by mass."

各種特性値は、以下の方法により測定した。
(TEM観察)
各実施例における成形体(PCPS焼結体)等のTEM観察は、電界放出型透過電子顕微鏡(HF-2000EDX、株式会社日立製作所製)を用いて測定した。
(電気伝導率測定)
熱電特性評価装置(ZEM-3、株式会社アルバック社製)を用いて測定した。
(成形体の最大引張強度〔UTS〕、引張伸び)
(株)島津製作所製の精密万能試験機(AUTOGRAPH AG-I 50KN)を用いて測定した。
Various characteristic values were measured by the following methods.
(TEM Observation)
The TEM observation of the molded body (PCPS sintered body) in each example was performed using a field emission transmission electron microscope (HF-2000EDX, manufactured by Hitachi, Ltd.).
(Electrical conductivity measurement)
The measurements were made using a thermoelectric property evaluation device (ZEM-3, manufactured by ULVAC, Inc.).
(Ultimate tensile strength [UTS] and tensile elongation of molded body)
The measurement was carried out using a precision universal testing machine (AUTOGRAPH AG-I 50KN) manufactured by Shimadzu Corporation.

<実施例>
<酸化グラフェン(GO)コロイド溶液の調製例>
耐食性反応器に濃硫酸(試薬特級、和光純薬工業社製)28.75部と天然黒鉛(Z-5F、鱗片状黒鉛、伊藤黒鉛工業社製)1.00部を加えて混合液とした。混合液を撹拌しながら過マンガン酸カリウム(試薬特級、和光純薬工業社製)を15分間隔で混合液中へ20回投入した。過マンガン酸カリウムの一回の投入量は0.15部であり、投入量の合計は3.00部であった。過マンガン酸カリウムの投入終了後、混合液を35℃まで昇温し液温を維持したまま2時間熟成を行って反応スラリー(酸化黒鉛含有スラリー)を得た。続いて、75.58部のイオン交換水が入った別の容器に前記の反応スラリー20.00部を撹拌下に投入し、更に30%過酸化水素水(試薬特級、和光純薬工業社製)1.08部を投入した後、30分間撹拌を継続してから撹拌を停止した。撹拌停止後、1晩静置して沈殿層と上澄み層に分離してから、上澄みを抜出した。その後、沈殿を洗浄するために抜き出した上澄みと同容量のイオン交換水を容器に加え、30分間撹拌してから、撹拌を止めて5時間以上静置してから再度上澄みを抜き出した。前記のイオン交換水を加えての洗浄と上澄みの抜出しを、上澄みのpHが2以上になるまで繰り返した。得られた沈殿層にイオン交換水を適量加えた後、ホモジナイザー処理により酸化黒鉛を分散してGOコロイド溶液(酸化グラフェンコロイド溶液)を得た。得られたGOコロイド溶液中のGO濃度は1.0%であった。
<Example>
<Preparation example of graphene oxide (GO) colloidal solution>
A mixture was prepared by adding 28.75 parts of concentrated sulfuric acid (special grade reagent, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 1.00 parts of natural graphite (Z-5F, flake graphite, manufactured by Itoh Graphite Industries, Ltd.) to a corrosion-resistant reactor. While stirring the mixture, potassium permanganate (special grade reagent, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added 20 times into the mixture at 15-minute intervals. The amount of potassium permanganate added each time was 0.15 parts, and the total amount added was 3.00 parts. After the addition of potassium permanganate, the mixture was heated to 35° C. and aged for 2 hours while maintaining the liquid temperature to obtain a reaction slurry (slurry containing graphite oxide). Next, 20.00 parts of the reaction slurry was added under stirring to another container containing 75.58 parts of ion-exchanged water, and 1.08 parts of 30% hydrogen peroxide water (special grade reagent, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, and the stirring was continued for 30 minutes before being stopped. After stopping the stirring, the mixture was left to stand overnight to separate into a precipitate layer and a supernatant layer, and the supernatant was then removed. Thereafter, the same volume of ion-exchanged water as the removed supernatant was added to the container to wash the precipitate, and the mixture was stirred for 30 minutes, after which the stirring was stopped and the mixture was left to stand for 5 hours or more, and the supernatant was again removed. The washing with the addition of ion-exchanged water and the removal of the supernatant were repeated until the pH of the supernatant reached 2 or more. An appropriate amount of ion-exchanged water was added to the obtained precipitate layer, and graphite oxide was dispersed by homogenizer treatment to obtain a GO colloidal solution (graphene oxide colloidal solution). The GO concentration in the obtained GO colloidal solution was 1.0%.

(1)原料及びGO/Al混合粉末の調製
1.0質量%濃度の原料GO水性コロイドは、上記方法で合成したものを用いた。ガスアトマイズ法で製造された平均粒径5.5μmの純度約99.85%のAl粉末(本明細書中、GO等の充填材と複合化されていないという意味で純粋なAl〔pure Al〕粉末ともいう。)は、Ecka Granules Japan社から提供された。
12gのAl粉末を200mLの脱イオン水を入れたビーカーに投入した。氷水浴中で2時間、攪拌しながら超音波処理を行いAlコロイドを得た。同時に、2.4gまたは4.8gのGOコロイドを希釈し、それぞれ100mlまたは200mlの脱イオン水中に超音波処理下で分散させGO懸濁液を得た。続いて、GO懸濁液をAlコロイド中に滴下して0.5時間撹拌した。ろ過後、真空下、343Kで乾燥させ、0.2質量%、0.4質量%のGO/Al混合粉末を得た。
(1) Preparation of raw material and GO/Al mixed powder The raw material GO aqueous colloid with a concentration of 1.0 mass% was synthesized by the above method. Al powder with an average particle size of 5.5 μm and a purity of about 99.85% (also referred to as pure Al powder in this specification, meaning that it is not composited with a filler such as GO) produced by gas atomization was provided by Ecka Granules Japan.
12 g of Al powder was put into a beaker containing 200 mL of deionized water. Al colloids were obtained by ultrasonic treatment while stirring in an ice-water bath for 2 hours. At the same time, 2.4 g or 4.8 g of GO colloids were diluted and dispersed in 100 ml or 200 ml of deionized water under ultrasonic treatment to obtain GO suspensions . The GO suspension was then dropped into the Al colloids and stirred for 0.5 hours. After filtration, the mixture was dried at 343 K under vacuum to obtain 0.2% by mass and 0.4% by mass of GO/Al mixed powders.

(2)Al/Alマトリックス複合体の製造
GO/Al混合粉末をパルス通電加圧焼結(PCPS;Dr.Sinter S511、住友金属鉱山(株)製)により913Kの高温、印加圧力50MPaで、0.33時間焼結し、Al/Al複合体を合成した。PCPSの加熱速度は1200K/hとした。その後、PCPS焼結複合体を、0.06m/hの押出速度と約20の押出比で、773Kでの熱間押出機(UH-500kN1、島津製作所(株)製)により処理した。円筒押出されたバーの平均直径は約3.4mmであった。比較のために、同じ粉末混合と焼結プロセスを用いて純粋なAl試験片も調製した。
(2) Preparation of Al 4 C 3 /Al matrix composite The GO/Al mixed powder was sintered at a high temperature of 913 K and an applied pressure of 50 MPa for 0.33 h by pulse current pressure sintering (PCPS; Dr. Sinter S511, Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.) to synthesize an Al 4 C 3 /Al composite. The heating rate of the PCPS was 1200 K/h. The PCPS sintered composite was then processed by a hot extruder (UH-500kN1, Shimadzu Corporation) at 773 K with an extrusion speed of 0.06 m/h and an extrusion ratio of about 20. The average diameter of the cylindrical extruded bar was about 3.4 mm. For comparison, pure Al specimens were also prepared using the same powder mixing and sintering process.

(3)特性
原料GOの層厚を原子間力顕微鏡(原子間力顕微鏡;日立製作所SIIナノキュート)で測定した。GOの結晶性無秩序をRaman分光装置(SOLAR TIIナノバインダー、(株)トーキョーインスツルメンツ製)により評価した。GOの熱安定性を、PCPSの同じ条件(例えば、加熱速度1200Kh-1、最高温度913K)を用いてAr雰囲気中で熱重量分析(TGA、SDT Q600、(株)日立製作所製)により確認した。バルク試料の見掛け密度はアルキメデスの原理を用いて決定した。粉末またはバルクの形態を電界放出形走査電子顕微鏡(FESEM;JSM-6500F、日本電子(株)製)、電子後方散乱回折(EBSD;OIM ver.6、(株)TSLソリューションズ製)及び電界放出型透過電子顕微鏡(TEM;HF-2000EDX、(株)日立製作所製)により調べた。周期的な熱膨張挙動を、アルゴンガス流下、240Kh-1の加熱速度で、318K-573Kの温度範囲、10回の熱サイクルで、熱機械分析(TMA;Q400、TAインスツルメント社製)により試験した。直径約3mm、長さ約10mmの円筒形試料を、押出されたバーから作製した。ビッカース硬度試験をマイクロ硬さ試験機(HM-200、(株)ミツトヨ製)で行った。複合体の引張性能を、ひずみ速度1.67×10-3-1の一軸引張試験により、精密万能試験機(AUTOGRAPH AG-I 50KN)を用いて評価した。直径約2.5mm、ゲージ長約10mmのドッグボーン形状の引張試験片を、押出されたバーから機械加工した。押出方向に沿った熱間押出されたバーの電気伝導率を、室温で熱電特性評価装置(ZEM-3、株式会社アルバック社製)を用いて測定した。
(3) Properties The layer thickness of raw GO was measured by atomic force microscope (AFM; Hitachi SII Nanocute). The crystalline disorder of GO was evaluated by Raman spectroscopy (SOLAR TII Nanobinder, Tokyo Instruments). The thermal stability of GO was confirmed by thermogravimetric analysis (TGA, SDT Q600, Hitachi) in Ar atmosphere using the same conditions of PCPS (e.g., heating rate 1200 Kh -1 , maximum temperature 913 K). The apparent density of the bulk sample was determined using Archimedes' principle. The powder or bulk morphology was investigated by field emission scanning electron microscopy (FESEM; JSM-6500F, JEOL Ltd.), electron backscatter diffraction (EBSD; OIM ver.6, TSL Solutions Ltd.) and field emission transmission electron microscopy (TEM; HF-2000EDX, Hitachi Ltd.). Cyclic thermal expansion behavior was tested by thermomechanical analysis (TMA; Q400, TA Instruments Co., Ltd.) in the temperature range of 318 K-573 K with a heating rate of 240 Kh -1 under argon gas flow, for 10 thermal cycles. Cylindrical specimens with a diameter of about 3 mm and a length of about 10 mm were prepared from the extruded bars. Vickers hardness tests were performed with a microhardness tester (HM-200, Mitutoyo Corp.). The tensile performance of the composites was evaluated by uniaxial tensile testing at a strain rate of 1.67× 10 s using a precision universal testing machine (AUTOGRAPH AG-I 50KN). Dog-bone shaped tensile specimens with a diameter of about 2.5 mm and a gauge length of about 10 mm were machined from the extruded bars. The electrical conductivity of the hot extruded bars along the extrusion direction was measured at room temperature using a thermoelectric property evaluation device (ZEM-3, ULVAC, Inc.).

<結果と考察>
(1)GOとGO/Al混合粉末の特徴
図1(a)は、原料GOのTEM画像を示す。図1(b)は、原料GOのAFM分析結果を示す。図1(c)は、シリカガラス上に置かれたGOのFESEM画像を示す。図1(d)は、FESEM観測によるGOの横方向サイズ分布の統計的結果を示す。図1(b)の挿入図は、図1(b)に示した白線に沿ったGOの高さプロファイルを示す。
<Results and Discussion>
(1) Characteristics of GO and GO/Al mixed powders Figure 1(a) shows a TEM image of raw GO. Figure 1(b) shows the AFM analysis results of raw GO. Figure 1(c) shows an FESEM image of GO placed on silica glass. Figure 1(d) shows the statistical results of the lateral size distribution of GO observed by FESEM. The inset in Figure 1(b) shows the height profile of GO along the white line shown in Figure 1(b).

原料GOの形態的特徴を図1に示す。GOプレートレット(薄片状GO)は透明であり、TEMで縁やしわの部分と区別することができる(図1(a))。製造プロセスから生じた少量の炭素質ナノ粒子(図1(a)の白い矢印を参照)が、フレキシブルなGOシート上に位置していた。AFM分析は数層(すなわち、<10層)のGOの特徴を示した。例えば、図1(b)のGOは、0.7nmのGO層間距離を考慮すれば、4層のグラフェン層からなる約2.8nmの厚さを有した。FESEM観察より、GOプレートレットが不規則な形状(図1(c))であることが分かった。GOの横方向サイズは0.5μmから2.8μmの範囲であり、その平均値は20のFESEM画像(図1(d))から算出して約1.51μmである。 The morphological features of raw GO are shown in Figure 1. The GO platelets are transparent and can be distinguished by TEM from the edges and wrinkles (Figure 1(a)). A small amount of carbonaceous nanoparticles (see white arrows in Figure 1(a)) resulting from the manufacturing process were located on the flexible GO sheets. AFM analysis showed the characteristics of few-layered (i.e., <10 layers) GO. For example, the GO in Figure 1(b) had a thickness of about 2.8 nm, consisting of four graphene layers, considering the GO interlayer distance of 0.7 nm. FESEM observations showed that the GO platelets had an irregular shape (Figure 1(c)). The lateral size of the GO ranged from 0.5 μm to 2.8 μm, with an average value of about 1.51 μm calculated from 20 FESEM images (Figure 1(d)).

図2(a)は、原料GO、GO/Al混合粉末、及び、PCPS複合体のラマンスペクトルを示す。ラマンスペクトルの測定条件は次の通りである。励起波長:532nm、対物レンズ:20倍、CCD取り込み時間:10s、積算回数:5回。図2(b)は、TGAにより測定した288Kから913KまでのGO粉末の重量損失を示す。図2(b)の挿入図は、熱還元前後のGOの概略図を示す。 Figure 2(a) shows the Raman spectra of raw GO, GO/Al mixed powder, and PCPS composite. The Raman spectrum was measured under the following conditions: excitation wavelength: 532 nm, objective lens: 20x, CCD capture time: 10 s, number of integrations: 5. Figure 2(b) shows the weight loss of GO powder from 288 K to 913 K measured by TGA. The inset in Figure 2(b) shows a schematic diagram of GO before and after thermal reduction.

GOの構造上の乱れをラマン分光法で明らかにした。この乱れは、一般に、sp2ベースの炭素質材料についての二つの特徴的なピーク、例えば、約1350cm-1での欠陥(D)バンド及び約1580cm-1でのグラファイト(G)バンドに関与する。図2(a)に示されるように、GOのI/I比値は約0.95と測定され、これは、六方晶C=Cネットワークにおけるエッジ、空位、ダングリングボンド、及び、原子欠陥等の豊富な固有の欠陥の存在に起因する。これらの乱れは、焼結(複合化)中においてAl形成のためにAlマトリックスと優先的に反応することが期待される。913Kで作製したPCPS焼結体からは欠陥(D)バンドのピーク及びグラファイト(G)バンドのピークは確認されなかった。これは、複合体中のGOがAlと反応してAlが形成され、GOが消失したためと推測される。GOの熱安定性はまた、図2(b)のTGA分析によっても示された。GOが不安定であったことが注目される;表面基の熱分解は低温(約450K)で始まり、ガス状のHO、CO、又は、COが放出され、還元型GO(図2(b)の挿入図)に対応する残渣は913Kの焼結温度で約43.8%残った。 The structural disorder of GO was revealed by Raman spectroscopy. This disorder is generally associated with two characteristic peaks for sp2-based carbonaceous materials, such as the defect (D) band at about 1350 cm -1 and the graphite (G) band at about 1580 cm -1 . As shown in Figure 2(a), the I D /I G ratio value of GO was measured to be about 0.95, which is attributed to the presence of abundant intrinsic defects such as edges, vacancies, dangling bonds, and atomic defects in the hexagonal C=C network. These disorders are expected to preferentially react with the Al matrix to form Al 4 C 3 during sintering (composite formation). No defect (D) band peak or graphite (G) band peak was observed in the PCPS sintered body prepared at 913 K. This is presumably due to the reaction of GO with Al in the composite to form Al 4 C 3 , and the disappearance of GO. The thermal stability of GO was also demonstrated by TGA analysis in Figure 2(b). It is noted that GO was unstable; the thermal decomposition of the surface groups started at low temperatures (~450 K) with the release of gaseous H2O , CO, or CO2 , and the residue corresponding to reduced GO (inset in Fig. 2(b)) remained at ~43.8% at the sintering temperature of 913 K.

図3(a)及び図3(b)は、それぞれ、0.2質量%GO/Al混合粉末を示すFESEM画像である。図3(c)及び図3(d)は、それぞれ、0.4質量%GO/Al混合粉末を示すFESEM画像である。図3(b)及び図3(d)は、それぞれ、図3(a)及び図3(c)の白色・破線の長方形の拡大部分を示す。 Figures 3(a) and 3(b) are FESEM images of a 0.2 wt% GO/Al mixed powder, respectively. Figures 3(c) and 3(d) are FESEM images of a 0.4 wt% GO/Al mixed powder, respectively. Figures 3(b) and 3(d) show enlarged portions of the white dashed rectangles in Figures 3(a) and 3(c), respectively.

図3にGO/Al混合粉末の形態を示す。水溶液中の反対の表面電荷のために、GOシートは静電的自己集合によりAl粉末の表面に吸着し、均一分散(図3(a))を実現した。GOで包まれた構造は、強いファンデルワールス力の結果として粉末乾燥後も保持されたことは注目に値する。薄く、柔軟で、高アスペクト比のGOは、もとの特性(例えば、粒子サイズまたは形状)(図3(b))が変化することなく、容易に球状Al粉末にフィットする。GO含有量が0.4質量%まで増加した時、各Al粒子はGOでほとんど覆われていた(図3(c))。時折、GOシートが二つの隣接するAl粉末を架橋した(図3(d))。 Figure 3 shows the morphology of GO/Al mixed powders. Due to the opposite surface charges in aqueous solution, GO sheets were adsorbed on the surface of Al powders by electrostatic self-assembly, achieving uniform dispersion (Figure 3(a)). It is noteworthy that the GO-wrapped structure was retained after powder drying as a result of the strong van der Waals forces. The thin, flexible, and high aspect ratio GO easily fit into the spherical Al powders without changing the original properties (e.g., particle size or shape) (Figure 3(b)). When the GO content was increased to 0.4 wt%, each Al particle was almost covered with GO (Figure 3(c)). Occasionally, a GO sheet bridged two adjacent Al powders (Figure 3(d)).

(2)焼結中のAl界面の形成
図4(a)~(d)は、PCPS処理した0.4質量%GO/Al複合体の横断面におけるTEM画像である。図4(b)の挿入図は、架橋したAlの形成を示す模式図である。図4(c)の挿入図は、図4(c)の丸いスポット部から測定されたAlの回折を示す。図4(d)は、図4(c)の破線の正方形から取得されている。
図4は、PCPS処理された0.4質量%のGO/Al複合体の微細構造を示す。複合体には多くのロッド状相(図4(a)の黒矢印で指し示している。)が観察された。対応する制限視野電子回折(SAED)パターン(図4(c)の挿入図)によって同定されるように、ナノロッドは、菱面体構造を有する単結晶Alであった。原料GOがAl粉末の表面を取り囲んだので(図3)、形成されたAlナノロッドは、固体状態PCPSの間、Al結晶粒(グレイン)の内部ではなく、結晶粒界(G.B.)に介在していた(図4(a))。
図4(d)のHRTEM画像は、Alの(003)原子面が連続的で、非常にまっすぐで互いに平行であり、約0.84nmの一定の面間間隔を有していて、高い結晶性が示唆されることを明らかにした。グラファイトプリズム面における表面自由エネルギーが基底面よりも高いため、(003)面に沿ったAlの縦方向形成は横方向成長よりも速い。これに対応して、Alは、<110>方向に沿ってロッド状に成長した(図4(c))。更に、Al結晶は、<110>方向にほぼ整列したいくつかの転位線(図4(d)の矢印で指し示している。)を含む。これは、欠陥のあるGOとAl原子との間の急速な界面反応速度とAl成長中の内部応力の不充分な解放に起因する。
カーボンナノチューブ(CNT)/Al複合体で十分に実証されているように、Al原子は、高温焼結またはアニーリング中にCNTのもとの形状に実質的な変化なしに、Alを形成するためにCNT中に優先的に拡散する。対照的に、AlはGO/Al複合体における原料GOとして明らかに異なる形状を有する。GOはオープンエッジ又は基底面に多くの炭素ダングリングボンドを含むので、C原子は容易にC=C共有結合の制限を破ることができる。したがって、Alの核形成と成長は、C原子とAl原子の相互拡散に関係しているはずである。
(2) Formation of Al 4 C 3 interface during sintering Figures 4(a)-(d) are TEM images of the cross-section of the PCPS-treated 0.4 wt% GO/Al composite. The inset in Figure 4(b) is a schematic showing the formation of cross-linked Al 4 C 3. The inset in Figure 4(c) shows the diffraction of Al 4 C 3 measured from the round spot in Figure 4(c). Figure 4(d) is taken from the dashed square in Figure 4(c).
Figure 4 shows the microstructure of the PCPS-treated 0.4 wt% GO/Al composite. Many rod-like phases (pointed by black arrows in Figure 4(a)) were observed in the composite. The nanorods were single- crystalline Al4C3 with rhombohedral structure, as identified by the corresponding selected area electron diffraction (SAED) pattern (inset in Figure 4(c)). Since the raw GO surrounded the surface of the Al powder (Figure 3), the formed Al4C3 nanorods were interposed at the grain boundaries (GB) rather than inside the Al grains during solid-state PCPS (Figure 4(a)).
The HRTEM image in Fig . 4(d) revealed that the (003) atomic planes of Al4C3 were continuous, very straight and parallel to each other, with a constant interplanar spacing of about 0.84 nm, suggesting high crystallinity. The vertical formation of Al4C3 along the (003) planes was faster than the lateral growth, because the surface free energy in the graphite prism planes is higher than that in the basal planes. Correspondingly, Al4C3 grew in rod-like shapes along the <110> direction (Fig . 4(c)). In addition, the Al4C3 crystals contain several dislocation lines (pointed by arrows in Fig. 4(d)) that are nearly aligned in the <110> direction. This is attributed to the rapid interfacial reaction rate between the defective GO and Al atoms and the insufficient release of internal stress during the Al4C3 growth.
As has been well documented in carbon nanotube (CNT)/Al composites, Al atoms preferentially diffuse into CNTs to form Al 4 C 3 during high-temperature sintering or annealing without substantial changes to the original shape of CNTs. In contrast, Al 4 C 3 has an obviously different shape as raw GO in GO/Al composites. Since GO contains many carbon dangling bonds on the open edges or basal planes, C atoms can easily break the restriction of C=C covalent bonds. Therefore, the nucleation and growth of Al 4 C 3 should be related to the interdiffusion of C and Al atoms.

図5(a)は、100枚のTEM画像から測定されたAlナノロッドの直径の統計的結果を示すグラフである。図5(b)は、100枚のTEM画像から測定されたAlナノロッドの長さの統計的結果を示すグラフである。
100枚のTEM画像の統計結果によると、Alナノロッドの平均直径と長さはそれぞれ約74.6nm(図5(a))と約301.4nm(図5(b))であり、アスペクト比は約4.0である。GOに4層のグラフェンが含まれると仮定すると(図1)、1枚のGOシートは約5.4本のAlロッドを合成するのに充分な炭素源を提供できると計算される。
Figure 5(a) is a graph showing the statistical results of the diameter and length of Al4C3 nanorods measured from 100 TEM images , respectively. Figure 5(b) is a graph showing the statistical results of the length and diameter of Al4C3 nanorods measured from 100 TEM images.
According to the statistical results of 100 TEM images, the average diameter and length of the Al4C3 nanorods are about 74.6 nm (Fig. 5(a)) and about 301.4 nm (Fig. 5(b)), respectively, with an aspect ratio of about 4.0. Assuming that GO contains four layers of graphene (Fig. 1), it is calculated that one GO sheet can provide enough carbon source to synthesize about 5.4 Al4C3 rods.

図4(c)は、AlがAlマトリックスに良好に結合し、明確な境界を示していることを示している。5つの小さなファセット面がAl/Al界面で明瞭に検出された(図4(d))。対応するSAEDパターン(図4(c)の挿入図)は、ファセットAl面が低い指数を持ち、従ってマトリックスとの比較的安定な界面を保持することを明らかにした。内部圧縮応力は、Al(3.6×10-6-1個)とAl(2.5×10-5-1個)の間の熱膨張係数のミスマッチによって生じる残留応力であると推定され、クリーンで閉じたAl/Al界面に寄与する。 Figure 4(c) shows that Al 4 C 3 is well bonded to the Al matrix and exhibits a clear boundary. Five small faceted planes were clearly detected at the Al 4 C 3 /Al interface (Fig. 4(d)). The corresponding SAED pattern (inset of Fig. 4(c)) revealed that the faceted Al 4 C 3 planes have a low index and thus retain a relatively stable interface with the matrix. The internal compressive stress is estimated to be a residual stress caused by the mismatch of thermal expansion coefficients between Al 4 C 3 (3.6×10 −6 K −1 pcs) and Al (2.5×10 −5 K −1 pcs), which contributes to a clean and closed Al 4 C 3 /Al interface.

注意深いTEM観察により、著しい現象を見出した;Alナノロッド(図4(b)の太い右向き矢印で指し示している。)が2つのAl粒子に垂直に埋め込まれ、架橋構造を形成している。これは、図4(b)の挿入図によって概略的に理解することができる。PCPSの表面クリーニング効果のために、Al粉末の表面上の厚さ約5nmの非晶質Al層が部分的に破壊された(図4(c))。その結果、GOシートの特定部分をAl結晶の核形成のためにフレッシュなAl表面と直接接触させた。その後、Alは境界に沿って2つの反対方向から成長し、2つの隣接したAl結晶粒を横切るAl架橋となった。高エネルギーPCPS緻密化による境界近くのAl原子の拡散の増加に加えて、このようなAl架橋は機械的性質を強化したAl結晶粒間の結合条件をさらに改善することが期待される。 Through careful TEM observation, we found a remarkable phenomenon; an Al4C3 nanorod (pointed by the thick rightward arrow in Fig. 4(b)) was embedded vertically into two Al particles, forming a bridged structure. This can be understood roughly by the inset in Fig. 4(b). Due to the surface cleaning effect of PCPS, the amorphous Al2O3 layer with a thickness of about 5 nm on the surface of the Al powder was partially destroyed (Fig. 4(c)). As a result, a certain part of the GO sheet was brought into direct contact with the fresh Al surface for the nucleation of Al4C3 crystals . Then, Al4C3 grew from two opposite directions along the boundary, resulting in an Al4C3 bridge across two adjacent Al grains. In addition to the increased diffusion of Al atoms near the boundary due to the high-energy PCPS densification, such an Al4C3 bridge is expected to further improve the bonding conditions between the Al grains, which enhanced the mechanical properties.

複合体中の残留GOシートはHRTEMにより測定されなかった(図4)。この結果は、図2(a)のマイクロラマン分析によって支持される;2つの特徴的なGOピークは、PCPS後に完全に消失した。作製した複合体はAl/Al複合体であると結論した。GOがAlに完全に反応したと考えることにより、複合体中のAl含有量は、それぞれ、原料の0.2質量%GO/Al及び0.4質量%GO/Alに対応して、約0.32体積%および約0.64体積%と計算される(表1参照)。 No residual GO sheets were measured in the composite by HRTEM (Figure 4). This result is supported by the micro-Raman analysis in Figure 2(a); the two characteristic GO peaks completely disappeared after PCPS. It was concluded that the composite fabricated was an Al4C3 /Al composite. By considering that GO reacted completely to Al4C3 , the Al4C3 content in the composite is calculated to be about 0.32 vol% and about 0.64 vol %, corresponding to 0.2 wt% GO/Al and 0.4 wt% GO/Al of the raw material, respectively (see Table 1).

表1は、PCPSおよび熱間押出によって製造した純粋なAlおよびAl/Al複合体の相対密度、引張特性、ビッカース硬度、電気伝導率を示す。純粋なAl、還元GO、及び、Alの見掛け密度をそれぞれ2.7g・cm-3、2.28g・cm-3、及び、2.93g・cm-3とした。ビッカース硬度値は、試験片の横断面で測定した。 Table 1 shows the relative density, tensile properties, Vickers hardness, and electrical conductivity of pure Al and Al 4 C 3 /Al composites produced by PCPS and hot extrusion. The apparent densities of pure Al, reduced GO, and Al 4 C 3 were 2.7 g cm -3 , 2.28 g cm -3 , and 2.93 g cm -3 , respectively. The Vickers hardness values were measured on the cross-section of the specimens.

Figure 0007473126000001
Figure 0007473126000001

図6(a)は、純粋なAlのEBSD-IPFマップである。図6(b)は、0.32体積%Al/Al複合体のEBSD-IPFマップである。図6(c)は、0.64体積%Al/Al複合体のEBSD-IPFマップである。図6(d)は、純粋なAlの結晶粒度分布を示すグラフである。図6(e)は、0.32体積%Al/Al複合体の結晶粒度分布を示すグラフである。図6(f)は、0.64体積%Al/Al複合体の結晶粒度分布を示すグラフである。
図7(a)~(c)は、熱間押出された0.64体積%Al/Al複合体の縦断面のTEM画像である。図7(c)は、図7(b)の正方形部分の拡大図である。
6(a) is an EBSD-IPF map of pure Al. FIG. 6(b) is an EBSD-IPF map of a 0.32 vol.% Al 4 C 3 /Al composite. FIG. 6(c) is an EBSD-IPF map of a 0.64 vol.% Al 4 C 3 /Al composite. FIG. 6(d) is a graph showing the grain size distribution of pure Al. FIG. 6(e) is a graph showing the grain size distribution of a 0.32 vol.% Al 4 C 3 /Al composite. FIG. 6(f) is a graph showing the grain size distribution of a 0.64 vol.% Al 4 C 3 /Al composite.
Figures 7(a)-(c) are TEM images of the longitudinal section of a hot extruded 0.64 vol% Al 4 C 3 /Al composite, and Figure 7(c) is an enlarged view of the square area in Figure 7(b).

PCPSと熱間押出の組合せによって、すべての純粋なAlとAl/Al複合体は99.7%以上の高密度を示した(表1)。詳細な結晶学的情報は図6(a)~(c)のEBSD逆極点図(IPF)マップによって収集した。熱間押出中のAlの塑性流動のために、マトリックスは押出方向に沿って<111>配向結晶粒を有する組織を形成するように回転した。また、熱間押出し方向と垂直な断面から測定した0.32体積%Al/Al複合体及び0.64体積%Al/Al複合体の平均結晶粒度(平均グレインサイズ)値はそれぞれ2.48μm(図6(e))及び2.02μm(図6(f))であり、純粋なAlの平均結晶粒度値(2.90μm;図6(d))より小さかった。 By combining PCPS and hot extrusion, all the pure Al and Al 4 C 3 /Al composites showed a high density of more than 99.7% (Table 1). Detailed crystallographic information was collected by EBSD inverse pole figure (IPF) maps in Fig. 6(a)-(c). Due to the plastic flow of Al during hot extrusion, the matrix rotated to form a structure with <111> oriented grains along the extrusion direction. Also, the average grain size values of the 0.32 vol% Al 4 C 3 /Al composite and the 0.64 vol% Al 4 C 3 /Al composite measured from the cross section perpendicular to the hot extrusion direction were 2.48 μm (Fig. 6(e)) and 2.02 μm (Fig. 6(f)), respectively, which were smaller than that of pure Al (2.90 μm; Fig. 6(d)).

TEM観察にて熱間押出Al結晶粒の配列をさらに確認した(図7(a))。個々のAlナノロッド(図7(b)の矢印で指し示している。)は、ほとんど単一方向に整列していた。隣接するAl間の平均距離は、およそ数百ナノメートルである。さらに、Alはマトリックスとの密接でファセット化した界面を維持し、AMCに対する有効な補強剤として作用できるものである(図7(c))。 TEM observation further confirmed the alignment of the hot-extruded Al crystal grains (Figure 7(a)). Individual Al4C3 nanorods (indicated by arrows in Figure 7(b)) were almost unidirectionally aligned. The average distance between adjacent Al4C3 nanorods was approximately several hundred nanometers. Furthermore, Al4C3 maintained a close and faceted interface with the matrix, which could act as an effective reinforcement agent for AMCs (Figure 7(c)).

(3)Al/Al複合体の機械的及び電気的性能
図8(a)は、純粋なAl、0.32体積%Al/Al複合体、及び、0.64体積%Al/Al複合体の公称引張応力-引張ひずみ曲線を示すグラフである。図8(b)は、純粋なAl及びAl/Al複合体の各強化メカニズムによる複合強度の理論計算結果を示すグラフである。
図8(a)は、Al/Al複合体の公称引張応力-歪曲線を示し、同じ焼結条件で処理した純粋なAlと比較している。Alの引張強度はAl形成の増加と共に徐々に増加し、破壊伸びは>16%の高レベルのままであった。0.32体積%Al/Al複合体と0.64体積%Al/Al複合体の最大引張強度(UTS)値はそれぞれ166.2MPaと183.1MPaであり、純粋なAlのそれ(133.8MPa)と比較して約24.2%と約36.8%の改善を示した。同様に、Alのビッカース硬度はAlの導入により有意に改善された(表1)。その結果、合成したAlナノロッドはAMCにおいて際立って優れた強化効果を示した。
(3) Mechanical and electrical performance of Al 4 C 3 /Al composites Figure 8(a) is a graph showing the nominal tensile stress-tensile strain curves of pure Al, 0.32 vol% Al 4 C 3 /Al composite, and 0.64 vol% Al 4 C 3 /Al composite, while Figure 8(b) is a graph showing the theoretical calculation results of the composite strength according to each strengthening mechanism of pure Al and Al 4 C 3 /Al composite.
Figure 8(a) shows the nominal tensile stress-strain curves of the Al 4 C 3 /Al composites, compared with pure Al processed under the same sintering conditions. The tensile strength of Al gradually increased with increasing Al 4 C 3 formation, and the elongation at break remained at a high level of >16%. The ultimate tensile strength (UTS) values of the 0.32 vol% Al 4 C 3 /Al composite and the 0.64 vol% Al 4 C 3 /Al composite were 166.2 MPa and 183.1 MPa, respectively, showing an improvement of about 24.2% and about 36.8% compared with that of pure Al (133.8 MPa). Similarly, the Vickers hardness of Al was significantly improved with the introduction of Al 4 C 3 (Table 1). As a result, the synthesized Al 4 C 3 nanorods showed a remarkable strengthening effect in AMC.

Al/Al複合体の強度改善を理解するために、主に(i)結晶粒微細化、(ii)AlのOrowanループ強化、及び、(iii)マトリックスからAlへの荷重伝達を含む強化メカニズムの定量的解析を行った。結晶粒微細化からの強化効果はHall‐Petchの下記式(1)によって次のように予測される。
ΔσGR=k(d -0.5-d -0.5) (1)
ここで、kは、Alの定数0.07MPa・m0.5であり、d及びdは、それぞれ、複合体及び純粋なAlの平均グレインサイズである。
To understand the strength improvement of Al4C3 /Al composites, a quantitative analysis of the strengthening mechanisms was performed, mainly including (i) grain refinement, (ii) Orowan loop strengthening of Al4C3 , and (iii) load transfer from the matrix to Al4C3 . The strengthening effect from grain refinement is predicted by the Hall-Petch equation (1) as follows:
Δσ GR = k (d c −0.5 −d m −0.5 ) (1)
where k is the constant 0.07 MPa·m 0.5 for Al, and d c and d m are the average grain sizes of the composite and pure Al, respectively.

Orowanループ強化による強度改善ΔσORは、下記式(2)で計算される。

Figure 0007473126000002
ここで、Mは、テイラー因子(面心立方金属についてはM=3.06)であり、Gは、マトリックスのせん断弾性率(G=25.4GPa)であり、bは、Alのバーガース・ベクトル(b=0.286nm)であり、Dは、Alの直径(D=74.6nm)であり、SはAlのアスペクト比(S=約4.0)であり、VはAlの体積率である。 The strength improvement Δσ OR due to Orowan loop strengthening is calculated by the following formula (2).
Figure 0007473126000002
where M is the Taylor factor (M = 3.06 for face-centered cubic metals), G is the shear modulus of the matrix (G = 25.4 GPa), b is the Burgers vector of Al (b = 0.286 nm), D is the diameter of Al4C3 (D = 74.6 nm), S is the aspect ratio of Al4C3 (S = ~4.0), and V is the volume fraction of Al4C3 .

一軸配向短繊維強化AMCにおいて、荷重伝達メカニズムにより引き起こされる強度の増加(ΔσLT)は、下記式(3)に示したせん断遅れ理論から推定できる。
ΔσLT=0.5VSσ (3)
ここでσは、純粋なAlのUTSであり、133.8MPaである。式(1)~(3)によると、V=0.32体積%で、ΔσGR=3.3MPa、ΔσOR=27.1MPa、ΔσLT=0.9MPa;V=0.64体積%で、ΔσGR=8.2MPa、ΔσOR=36.3MPa、ΔσLT=1.7MPaである。Orowanループが本実施例で合成したAl/Al複合体における支配的強化メカニズムであると結論した。図8(b)は、Al/Al複合材料の各強化メカニズムの寄与をまとめたものである。Alの予測強化効果は実験値と良く一致した。
In uniaxially oriented short fiber reinforced AMC, the strength increase (Δσ LT ) caused by the load transfer mechanism can be estimated from the shear lag theory shown in Equation (3) below.
Δσ LT = 0.5 V σ m (3)
Here, σ m is the UTS of pure Al, which is 133.8 MPa. According to equations (1)-(3), Δσ GR =3.3 MPa, Δσ OR =27.1 MPa, Δσ LT =0.9 MPa at V=0.32 vol.%; Δσ GR =8.2 MPa, Δσ OR =36.3 MPa, Δσ LT =1.7 MPa at V=0.64 vol.%. It is concluded that the Orowan loop is the dominant strengthening mechanism in the Al 4 C 3 /Al composite synthesized in this example. Figure 8(b) summarizes the contribution of each strengthening mechanism in the Al 4 C 3 /Al composite. The predicted strengthening effect of Al 4 C 3 is in good agreement with the experimental value.

電気的用途を考慮して、表1に示すように、純粋なAl及びAl/Al複合体の電気伝導率を室温で評価した。クリーンなAl-Al界面(図7(c))の存在により、Alの電気伝導率は、それぞれ、0.32体積%又は0.64体積%Alの導入により、約2.3%または約7.6%にわずかに減少した。一般に、AMCの引張強度と電気伝導率はトレードオフの傾向を示し、すなわち、強度の増加は電気伝導率を犠牲にし、逆も同様である。広く使用されている充填材(例えば、CNT、セラミック、GPL〔板状グラフェン:Graphene platelet〕、又は、耐熱性ナノ粒子)と比較して、Alは優れた電気伝導度-強度の組合せを有する高性能AMCを製造するためにより効果的であることが証明された。例えば、0.64体積%Al/Al複合体は、183.1MPaの高いUTSと57.4%IACS(表1)の電気伝導率を有した。 Considering electrical applications, the electrical conductivity of pure Al and Al 4 C 3 /Al composites was evaluated at room temperature, as shown in Table 1. Due to the presence of clean Al 4 C 3 -Al interface (FIG. 7(c)), the electrical conductivity of Al was slightly decreased to about 2.3% or about 7.6% by the introduction of 0.32 vol.% or 0.64 vol.% Al 4 C 3 , respectively. In general, the tensile strength and electrical conductivity of AMCs show a trade-off trend, i.e., the increase in strength comes at the expense of electrical conductivity and vice versa. Compared with widely used fillers (e.g., CNTs, ceramics, GPLs [graphene platelets], or heat-resistant nanoparticles), Al 4 C 3 has been proven to be more effective for fabricating high-performance AMCs with excellent electrical conductivity-strength combination. For example, the 0.64 vol.% Al 4 C 3 /Al composite had a high UTS of 183.1 MPa and electrical conductivity of 57.4% IACS (Table 1).

図9は、0.64体積%Al/Al複合体の繰返し熱膨張挙動を示すグラフである。
Zhouらは最近、Hummer法と粉末冶金技術を組み合わせて、UTSが約173MPaで電気伝導率が約59.1%IACSの0.4体積%少数層グラフェンGPL/Al複合体を作製した(非特許文献4参照。)。しかし、非特許文献4ではGPLが残存しているところ、GPLとAlマトリックス間の界面結合は機械的に結合しており、電線に適用した場合は高温での機械的性質の不安定性をもたらす可能性がある。本実施例のAl/Al複合体の有効性をさらに確認するために、図9に示すような繰返し熱荷重下での熱膨張挙動を評価したところ、GPL/Al複合体では熱膨張のヒステリシス現象が加熱と冷却の間で明確に観察され、界面が不安定であることがわかった。しかし、Al/Al複合体の繰返し熱膨張挙動は318K~573Kの温度範囲で線形で可逆的であった(図9)。この結果は、Al-Al界面では界面滑りが実際には起こらないことを示唆している。従って、本実施例のAl/Al複合体は非特許文献4に記載のGPL/Al複合体より優れた高温での機械的性能を示すと考えられる。
FIG. 9 is a graph showing the cyclic thermal expansion behavior of a 0.64 vol. % Al 4 C 3 /Al composite.
Recently, Zhou et al. combined the Hummer process with powder metallurgy techniques to fabricate a 0.4 vol.% few-layer graphene GPL/Al composite with a UTS of about 173 MPa and electrical conductivity of about 59.1% IACS (see Non-Patent Document 4). However, in Non-Patent Document 4, the GPL remains, and the interface bond between the GPL and the Al matrix is mechanically bonded, which may lead to instability of mechanical properties at high temperatures when applied to electric wires. To further confirm the effectiveness of the Al 4 C 3 /Al composite of this example, the thermal expansion behavior under cyclic thermal loading as shown in FIG. 9 was evaluated, and the hysteresis phenomenon of thermal expansion was clearly observed between heating and cooling in the GPL/Al composite, indicating that the interface was unstable. However, the cyclic thermal expansion behavior of the Al 4 C 3 /Al composite was linear and reversible in the temperature range of 318 K to 573 K (FIG. 9). This result suggests that interfacial slip does not actually occur at the Al 4 C 3 -Al interface. Therefore, it is believed that the Al 4 C 3 /Al composite of this example exhibits superior mechanical performance at high temperatures to the GPL/Al composite described in Non-Patent Document 4.

高エネルギー焼結によるAl/Al複合体を合成するために、少数層のGOを利用する戦略を提案した。GOシートはヘテロ凝集プロセスにより静電引力下でAl粉末の表面に均一に被覆した。高温PCPS中、GOはAl原子と反応し、約74.6nmの平均直径と約301.4nmの長さの単結晶Alナノロッドに完全に変化した。その後の熱間押出は、Alナノロッドを個別に一軸方向に再配列し、マトリックスとの密接でファセット化した界面を示した。
Alマトリックスの引張強度は、主にAlのOrowanループ強化に起因して、Al導入により顕著に強化された。さらに、Al/Al複合体は、>57.4%IACS(純粋なAlの約92.4%)の高い電気伝導率を保持し、高温で安定な界面結合を示した。その結果、Al/Al複合体は、例えば導電体等への応用において、大きな応用の展望を有している。
We proposed a strategy to utilize few-layer GO to synthesize Al4C3 /Al composites by high-energy sintering. GO sheets were uniformly coated on the surface of Al powder under electrostatic attraction through a heterocoagulation process. During high-temperature PCPS, GO reacted with Al atoms and completely transformed into single-crystalline Al4C3 nanorods with an average diameter of about 74.6 nm and a length of about 301.4 nm. Subsequent hot extrusion uniaxially rearranged the Al4C3 nanorods individually, exhibiting an intimate and faceted interface with the matrix.
The tensile strength of the Al matrix was significantly enhanced by the introduction of Al 4 C 3 , mainly due to the Orowan loop strengthening of Al 4 C 3 . Furthermore, the Al 4 C 3 /Al composite retained high electrical conductivity of >57.4% IACS (about 92.4% of pure Al) and showed stable interfacial bonding at high temperatures. As a result, the Al 4 C 3 /Al composite has great application prospects, for example in electrical conductor applications.

Claims (5)

アルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体を製造する方法であって、
該製造方法は、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料とアルミニウム粒子とを600℃を超える温度で加圧する工程を含み、
該アルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体は、ラマン分光測定によって得られるスペクトルチャートにおいて1250~1500cm -1 の範囲内にDバンドのピークを示さず、1500~1650cm -1 の範囲内にGバンドのピークを示さないことを特徴とするアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の製造方法。
1. A method for producing an aluminum-aluminum carbide composite compact, comprising the steps of:
The production method includes a step of pressing a flaky carbon material having a graphene skeleton and aluminum particles at a temperature exceeding 600° C.,
The aluminum-aluminum carbide composite molded product is characterized in that it does not exhibit a D band peak in the range of 1250 to 1500 cm -1 and does not exhibit a G band peak in the range of 1500 to 1650 cm -1 in a spectral chart obtained by Raman spectroscopy.
前記グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料は、酸化グラフェンであることを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の製造方法。 The method for producing an aluminum-aluminum carbide composite molding according to claim 1, characterized in that the flake-like carbon material having a graphene skeleton is graphene oxide. 前記アルミニウム粒子は、アルミニウムの単体及び/又は合金から構成されるものであることを特徴とする請求項1又は2に記載のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の製造方法。 The method for producing an aluminum-aluminum carbide composite compact according to claim 1 or 2, characterized in that the aluminum particles are composed of aluminum alone and/or an alloy. 前記製造方法は、加圧工程で得られた成形体に圧力を加えて変形させる工程を更に含むことを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体の製造方法。 The method for producing an aluminum-aluminum carbide composite compact according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the production method further includes a step of applying pressure to the compact obtained in the pressing step to deform it. グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料とアルミニウム粒子とを用いて得られるアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体であって、
該グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料は、酸化グラフェンであり、その使用量が1質量%以下であり、
ラマン分光測定によって得られるスペクトルチャートにおいて1250~1500cm -1 の範囲内にDバンドのピークを示さず、1500~1650cm -1 の範囲内にGバンドのピークを示さないことを特徴とするアルミニウム-炭化アルミニウム複合成形体。
An aluminum-aluminum carbide composite molded body obtained by using a flaky carbon material having a graphene skeleton and aluminum particles,
the flaky carbon material having a graphene skeleton is graphene oxide, and the amount of the graphene oxide used is 1 mass % or less;
An aluminum-aluminum carbide composite molded product, characterized in that a spectrum chart obtained by Raman spectroscopy does not show a D band peak in the range of 1250 to 1500 cm −1 and does not show a G band peak in the range of 1500 to 1650 cm −1 .
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