JP2008127609A - カーボンナノ複合金属材料の製造方法及びカーボンナノ複合金属成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カーボンナノ材料を強化材料に複合金属材料において、強度向上を図ることができる製造技術を提供することを課題とする。
【解決手段】微粒子付着カーボンナノ材料３０は、カーボンナノ材料１３の炭化物形成微粒子の層３１で被覆されている。この微粒子付着カーボンナノ材料３０を、マトリックス金属素材に混ぜる。カーボンナノ材料１３表面に炭化物形成微粒子を付着させると、界面に例えばＳｉＣの反応層が形成し、カーボンナノ材料１３に炭化物形成微粒子の層３１を強固に付着させることができる。したがって、炭化物形成微粒子の層３１がカーボンナノ材料１３から脱落する心配はない。炭化物形成微粒子の層３１はマトリックス金属とも良好に接着する。
【選択図】図２

Description

本発明は、カーボンナノ材料を強化材料とした複合金属材料に関する。

カーボンナノ材料と称する特殊な炭素繊維が強化材料として注目を浴び、その活用方法が提案されている。カーボンナノ材料の代表例であるカーボンナノファイバは、六角網目状に配列した炭素原子のシートを筒状に巻いた形態のものであり、直径が１．０ｎｍ（ナノメートル）〜１５０ｎｍであり、ナノレベルであるため、カーボンナノファイバ（又は、カーボンナノチューブ）と呼ばれる。なお、長さは数μｍ〜１００μｍである。

カーボンナノ材料でマトリックス金属素材を強化させる場合に、カーボンナノ材料をマトリックス金属素材中に均等に分散させることが必須となり、分散化技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−２６５６８６公報（図２）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１３は従来の技術の製造フロー図であり、ステップ（以下ＳＴと略記する。）１０１でＣＮＴ（カーボンナノチューブ）と分散剤（ドデシル硫酸ナトリウム）と溶媒（純水）とを準備し、これらの材料を合せ、超音波で１時間処理することで撹拌・混合を行なう（ＳＴ１０２）。又、ＳＴ１０３でＮｉ（ニッケル）粉末と分散剤（ポリアクリル酸アンモニウム）と結合剤（ポリビニルアルコール）と溶媒（純水）とを準備し、これらの材料を合せ、超音波で１時間処理することで撹拌・混合を行なう（ＳＴ１０４）。

ＳＴ１０２で得たＣＮＴサスペンションとＳＴ１０４で得たＮｉスラリーとを合せ、超音波処理で撹拌・混合し（ＳＴ１０５）、次に８０℃に加熱して凝縮して（ＳＴ１０６）、Ｎｉ／ＣＮＴ混合スラリーを得る（ＳＴ１０７）。
続いて、Ｎｉ／ＣＮＴ混合スラリーを二段階で乾燥し、圧縮することで（ＳＴ１０８）、グリーン成形体を得る（ＳＴ１０９）。

得られたグリーン成形体を３０時間脱脂処理し（ＳＴ１１０）、真空中で加圧しながら焼結処理を行なう（ＳＴ１１１）。これで、Ｎｉ／ＣＮＴ複合焼結体を得ることができる（ＳＴ１１２）。得られたＮｉ／ＣＮＴ複合焼結体を顕微鏡で観察したところＣＮＴが良好に分散していたという技術である。

本発明者等が検証したところ、上記従来の技術に関し次のことが判明した。
第１に、３０時間にもわたる脱脂処理工程（ＳＴ１１０）が必要であるために、製造コストが嵩む。
第２に、分散性が良好であるにも拘わらず、期待したほどは強度の向上が得られなかった。
すなわち、従来の技術には、製造コストの点と強度向上の点で改良の余地がある。

本発明は、強度向上を図ることができると共に製造コストを下げることができる製造技術を提供することを課題とする。

本発明者等は、分散性が良好であるにも拘わらず、期待したほどは強度の向上が得られなかった原因は、ＣＮＦとマトリックス（Ｎｉ）との接着不良にあると推定した。接着が不十分であると、外力に対して複合材が変形したときに、マトリックスとＣＮＦとの間ですべりが発生し、ＣＮＦの強化作用が減少する。
そこで、ＣＮＦの分散性だけでなく、ＣＮＦとマトリックスとの密着性を高めることが有効であると知見し、研究を進めた。そして満足できる結果を得ることができた。

すなわち、請求項１に係る発明は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む微粒子がカーボンナノ材料の表面全体に付着されている微粒子付着カーボンナノ材料、及びマトリックス金属素材を準備する準備工程と、
前記微粒子付着カーボンナノ材料とマトリックス金属素材とを混合する混合工程と、
得られた混合物を押し固めることで予備成形する予備成形工程と、
得られた予備成形体を真空、不活性ガス若しくは非酸化性ガス雰囲気中で前記マトリックス金属素材の融点以上の温度まで加熱し、一定時間保持する加熱処理工程と、
得られた加熱処理体を前記マトリックス金属素材の熱間加工が可能な温度まで冷却し、この温度で所定時間加圧して圧密化を図る圧密化工程と、
前記所定時間が経過したら、得られた圧密体を冷却してカーボンナノ複合金属材料を得る冷却工程と、
からなるカーボンナノ複合金属材料の製造方法を提供する。

請求項２に係る発明は、冷却工程では、圧密体を加圧しながら冷却することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、冷却工程に続いて、カーボンナノ複合金属材料を押出し成形する押出し成形工程を実施することを特徴とする。

請求項４に係る発明では、準備する微粒子付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成微粒子とを混合して混合体を得る混合体形成工程と、得られた混合体を真空炉に入れ、高温真空下で炭化物形成微粒子を蒸発させ、カーボンナノ材料の表面に付着させることで得る真空蒸着工程と、から製造することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、混合体形成工程で、混合用容器に、有機溶媒と炭化物形成微粒子とカーボンナノ材料とを入れて撹拌し、乾燥させることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、炭化物形成微粒子が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。

請求項７に係る発明では、マトリックス金属素材が、Ｍｇ又はＭｇ合金であることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１項記載のカーボンナノ複合金属材料の製造方法により製造されたカーボンナノ複合金属材料をダイカスト成形することで成形品を得ることを特徴とするカーボンナノ複合金属成形品の製造方法を提供する。

請求項１に係る発明では、出発材料に、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む微粒子がカーボンナノ材料の表面全体に付着されている微粒子付着カーボンナノ材料を選択した。
仮に、カーボン材料を直接マトリックス金属素材に混合すると、カーボンナノ材料同士が凝集して、分散性が損なわれる。これを解消するために従来は分散剤を加えた。
本発明で採用した微粒子付着カーボンナノ材料は、表面の微粒子が分離作用を発揮するため、分散剤は不要となる。分散剤が不要になると、脱脂処理が不要となる。脱脂処理工程が不要であるため、製造コストを下げることができる。

又、微粒子付着カーボンナノ材料とマトリックス金属素材とを混合して、押し固めてなる予備成形体を、マトリックス金属素材の融点以上の温度まで加熱し、一定時間保持すると、マトリックス金属素材に溶融した微粒子付着カーボンナノ材料が浸透する。
この状態で、熱間加工が可能な温度まで下げて圧密化処理を実施すると、カーボンナノ材料とマトリックス金属とが微粒子を介して密に結合するため、複合金属材料の強度を大いに高めることができる。

熱間加工が可能な温度は、可能な限り高い温度にする。そうすれば、小さな加圧力で圧密化を実施することができ、金型等の制約を受ける心配が無いからである。
なお、熱間加工が可能な温度より低い温度では、加工性が悪くなり割れなどの不具合が発生するため、圧密化処理が困難である。また、熱間加工可能な温度を超えた高温度では、液相状態になり、加圧により液相の漏れが発生して、加圧力が上手く作用しなくなり、圧密化が困難になる。

請求項２に係る発明は、冷却工程では、圧密体を加圧しながら冷却する。冷却時に冷却速度の差異によりカーボンナノ複合金属材料に歪みが発生する。本発明では加圧することで、歪みの発生を抑えるようにした。この結果、形状の良好なカーボンナノ複合金属材料を得ることができる。

請求項３に係る発明では、さらに押出し成形することで、配向性を高めることができ、引張り強度などの機械的強度が優れたカーボンナノ複合金属材料を得ることができる。

請求項４に係る発明では、準備する微粒子付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成微粒子とを混合して混合物を得る混合物形成工程と、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で炭化物形成微粒子を蒸発させ、カーボンナノ材料の表面に付着させることで得る真空蒸着工程と、から製造することを特徴とする。高温真空下で炭化物形成微粒子を蒸発させ、カーボンナノ材料の表面に付着させるため、炭化物形成微粒子を均等にカーボンナノ材料の表面に付着させることができる。

請求項５に係る発明は、混合体形成工程で、混合用容器に、有機溶媒と炭化物形成微粒子とカーボンナノ材料とを入れて撹拌し、乾燥させることを特徴とする。有機溶媒でカーボンナノ材料の凝集を阻止することができる。分散状態のカーボンナノ材料に炭化物形成微粒子を被せることができる。

請求項６に係る発明では、炭化物形成微粒子が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。Ｓｉ、Ｔｉともに、真空下で蒸着可能な融点の金属であり、溶融マトリックス金属との濡れ性も良好である。Ｓｉ、Ｔｉともに入手が容易であり、特にＳｉは安価であるため、本発明方法を広く普及させる上で、好適である。

請求項７に係る発明では、マトリックス金属素材が、Ｍｇ又はＭｇ合金であることを特徴とする。本発明では、真空下で処理するため、酸素を嫌うＭｇ又はＭｇ合金をも処理することができる。Ｍｇ又はＭｇ合金は軽量金属であり、この金属にカーボンナノ材料を含めて機械的強度を高めることで、軽量で且つ強度、熱伝導性及び耐摩耗性に優れた構造材料を提供することができる。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１項記載のカーボンナノ複合金属材料の製造方法により製造されたカーボンナノ複合金属材料をダイカスト成形することで成形品を得ることを特徴とするカーボンナノ複合金属成形品の製造方法を提供する。
カーボンナノ複合金属材料の製造方法により製造されたカーボンナノ複合金属材料は、カーボンナノ材料が均一に分散されている。このように均一な混合状態の材料を供給しダイカスト成形を行なうので、複雑な形状の成形品であっても容易に成形が可能であり、機械的強度の高い複合金属成形品を製造することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る混合体形成工程と真空蒸着工程を説明する図である。
（ａ）：混合用容器１０に、有機溶媒（例えば１リットルのエタノール）１１を入れる。この有機溶媒１１へ、炭化物形成微粒子（例えば１０ｇのＳｉ）１２とカーボンナノ材料（例えば１０ｇ）１３とを入れる。そして、攪拌機１４にて、十分に撹拌する（例えば、毎分７５０回転で２時間）。撹拌が終了したら、吸引濾過し、高温（例えば１００℃）の空気中で十分に乾燥させる（例えば３時間）ことで、（ｂ）に示される混合体１５を得る。（ａ）〜（ｂ）が混合体形成工程である。

（ｃ）：得られた混合体１５を、ジルコニウム製容器１６に入れ、ジルコニウム製蓋１７を被せる。この蓋１７は非密閉蓋を採用することで、容器１６の内部と外部との通気を可能にする。

（ｄ）：密閉炉体２１と、炉体２１内部を加熱する加熱手段２２と、容器１６を載せる台２３、２３と、炉体２１内部を真空にする真空ポンプ２４とを備える真空炉２０を準備し、この真空炉２０に容器１６を入れる。

真空炉２０では、真空中で例えば１２００℃で２０時間の加熱を実施する。真空下で加熱することで、混合体１５中のＳｉ粉末が蒸発する。蒸発したＳｉがカーボンナノ材料の表面に接触し、化合物を形成し、Ｓｉの微粒子となって付着する。（ｃ）〜（ｄ）が真空蒸着工程である。
得られた微粒子付着カーボンナノ材料の構造は次図で説明する。

図２は微粒子付着カーボンナノ材料の模式図、図３は図２の３−３線断面図であり、微粒子付着カーボンナノ材料３０は、カーボンナノ材料１３の表面全体が、炭化物形成微粒子（表面全体に炭素と反応して化合物を生成する元素を含む微粒子）の層３１で被覆されている。

カーボンナノ材料１３表面に炭化物形成微粒子を付着させると、界面に例えばＳｉＣの反応層が形成し、カーボンナノ材料１３に炭化物形成微粒子の層３１を強固に付着させることができる。したがって、炭化物形成微粒子の層３１がカーボンナノ材料１３から脱落する心配はない。さらには、炭化物形成微粒子の層３１は、カーボンナノ材料１３に比較してマトリックス金属とのぬれ性が格段に良い。

図４は本発明に係る準備工程、混合工程及び予備成形工程の説明図である。
準備工程である（ａ）において、微粒子付着カーボンナノ材料３０と、金属塊から削って製作したマトリックス金属素材３２とを準備する。
混合工程である（ｂ）において、微粒子付着カーボンナノ材料３０と、金属塊から削って製作したマトリックス金属素材３２とを、容器３３に入れ、棒３４で十分に混合する。マトリックス金属素材３２は、例えば、純ＭｇやＭｇ合金である。

予備成形工程である（ｃ）において、ベース３７にダイ３８載せる。このダイ３８に混合物３５を詰める。次に、パンチ３９を進入させて、混合物３５を押し固める。押し固めたものは予備成形体４１になる。

図５は本発明に係る加熱処理工程、圧密化工程及び冷却工程に供する処理装置の原理図であり、処理装置５０は、予備成形体４１を支える下パンチ５１と、この下パンチ５１に対向して配置され予備成形体４１を抑える又は加圧力Ｐ１で圧縮（加圧）することができる上パンチ５２と、予備成形体４１を囲うヒータ５３と、このヒータ５３や予備成形体４１などを一括して囲うチャンバー５４と、このチャンバー５４に接続されチャンバー５４内部を真空状態にする真空排気装置５５及びチャンバー５４内部へ不活性ガスとしてのアルゴンを吹込む不活性ガス吹込み装置５６とで構成される。この処理装置５０は次図の制御曲線により制御される。

図６は本発明に係る加熱処理工程、圧密化工程及び冷却工程を説明するグラフであり、横軸が時間で、左縦軸が温度で、右縦軸が加圧力Ｐ１であるグラフに、温度曲線と加圧力曲線が示され、上部に、加熱処理工程、圧密化工程及び冷却工程が示されている。

加熱処理工程では、チャンバー内を真空状態にし、真空のまま又は次にアルゴンなどの不活性ガス若しくは窒素などの非酸化性ガスを封入する。次に、所定の加熱（昇温）速度で予備成形体を、７００℃まで加熱し、７００℃に達したときから１０分間保持することで加熱処理体５７（図５）を得る。

Ｍｇの融点が６５０℃であるため、７００℃まで加熱するとマトリックス金属素材が溶けて微粒子付着カーボン材料に浸透する。１０分間保持することで十分に浸透させることができる。

図５のヒータ５３の設定温度を下げることで、加熱処理体５７を、マトリックス金属素材の熱間加工が可能な温度まで冷却する。Ｍｇの融点が６５０℃であるため、７０℃程度低い５８０℃まで下げれば、表層が十分に凝固し、圧縮しても液相が漏れる心配はなくなる。

５８０℃に達したら、上パンチ５２を下げて加熱処理体５７に４０ＭＰａの加圧を付与する。加圧しながら５８０℃で１０分間保持する。この保持中において、上パンチ５２は僅かずつ下がる。この下降は５〜７分間続き、その後は下降しない。上パンチ５２が下降している間は組織内に僅かな隙間が存在し、この隙間が圧密化されていることを意味する。上パンチ５２の下降動作が止まったら、十分に緻密になったと判断することができる。得られた圧密体５８は十分に圧密化されたことになる。

この圧密化は、マトリックス金属素材の熱間加工可能な温度であれば実施できるが、圧密化に必要な加圧力は温度に依存し、温度が高いほど小さな加圧力で圧密化を行うことができ、あまり強度の高くないカーボン型などでも圧密化を容易に行うことができるため、できる限り高い温度領域で実施することが好ましい。
また、熱間加工可能な温度未満の低温度では、加工性が悪くなり、特にマトリックス金属素材ＭｇやＭｇ合金では、割れやひび等が発生し易いため、圧密化が困難になる。
また、熱間加工可能な温度を超えた高温度では、液相状態になり、加圧により液相の漏れが発生して、加圧力が上手く作用しなくなり、圧密化が困難になる。

得られた圧密体５８は、上パンチ５２で抑えたままで常温まで冷却することで、カーボンナノ複合金属材料５９を得ることができる。圧密体５８は表面の温度が先に下がり、中心部の温度が遅れて下がるため、温度差により冷却歪みと称する歪みが発生することがある。上パンチ５２で抑え続けることで冷却歪みの発生を抑えることができる。しかし、冷却歪みが心配ないときには、加圧力なしで（圧密体５８を上パンチ５２で抑えないで）冷却することは可能である。

次に、押出し処理前のカーボンナノ複合金属材料５９を更に押出し成形する例を説明する。
図７は本発明に係る押出し工程の説明図である。
（ａ）にて、穴６１を有するコンテナ６２及びラム６３からなる押出し装置６０を準備し、コンテナ６２を所定の温度に加熱し、カーボンナノ複合金属材料５９を収納する。そして、ラム６３を白抜き矢印のごとく押出しす。
（ｂ）にて、穴６１から押出しすことで、押出し処理済みのカーボンナノ複合金属材料６５を得ることができる

（ｃ）は押出し処理済みのカーボンナノ複合金属材料６５の外観を示し、表面６６に、押出し方向に配向したカーボンナノ材料１３を認めることができる。
表皮にも十分な量のカーボンナノ材料１３を含有させることができ、耐摩耗性を向上させることができる。

図面は省略するが、カーボンナノ複合金属材料６５の断面を観察したところ、断面に、押出し方向に配向したカーボンナノ材料１３を認めることができる。そのため、カーボンナノ材料１３を均等に分散させることができ、機械的強度を高めることができる。

図８は本発明に係るダイカスト成形の原理図であり、ダイカスト成形を実行するために金属成形装置７０を準備する。この金属成形装置７０は、例えば、材料供給口７１を備える加熱筒７２に、プランジャ７３を往復移動可能に収納し、このブランジャ７３を射出シリンダ７４で駆動するようにし、要部をカバー７５で覆い、加熱筒７２の先端を固定盤７８に臨ませてなるダイカストマシン状の装置が望ましい。固定盤７８には固定金型７９を取り付け、対向する可動盤８１には可動金型８２を取り付けることで、金型７９、８２間にキャビティ８３を形成する。

そして、図５で示したカーボンナノ複合金属材料５９又は図７（ｃ）に示したカーボンナノ複合金属材料６５を、半溶融温度に加熱して半溶融材料８４とする。このような半溶融材料８４を容器８５又は適当な供給機構を用いて、材料供給口７１から加熱筒７２内へ注ぐ。次に、プランジャ７３を前進させることで、半溶融材料８４をキャビティ８３へ射出する。
加熱を半溶融温度に留めると、マトリックス金属が固相と液相との混在物になり、カーボンナノ材料の移動が制限される。この結果、カーボンナノ材料の分散性が維持される。

図９は本発明方法で製造したカーボンナノ複合金属成形品の斜視図であり、図８の金属成形装置７０により、複雑な形状のカーボンナノ複合金属成形品８６を製造することができたことを示す。
カーボンナノ複合金属材料の製造方法により製造されたカーボンナノ複合金属材料６５は、カーボンナノ材料が均一に分散されている。このように均一な混合状態の材料を供給しダイカスト成形を行なうので、複雑な形状の成形品であっても容易に成形が可能であり、熱伝導性や機械的強度や耐摩耗性の高いカーボンナノ複合金属成形品８６を製造することができる。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
混合体形成工程及び真空蒸着工程：図１に基づいて、平均径が１５０ｎｍで長さが１０〜２０μｍのカーボンナノ材料（気相成長法炭素繊維）に、粒径が４μｍのＳｉ粒子（炭化物形成粒子）を用いて微粒子付着カーボンナノ材料を製造した。

準備工程：図４（ａ）にしたがって、上記微粒子付着カーボンナノ材料、及び純度が９９．９％で粒径が１８０μｍのＭｇ粒子（又はＡＺ９１Ｄ、Ｍｇ合金粒子）をマトリックス金属素材として準備した。
ＡＳＴＭ ＡＺ９１Ｄ（マグネシウム合金ダイカスト ＪＩＳ Ｈ ５３０３ ＭＤＣ１Ｄ相当品）で規定されるＭｇ合金の組成は、Ａｌが約９質量％で残部が、少量の元素、不可避的不純物及びＭｇである。

混合工程：図４（ｂ）にしたがって、微粒子付着カーボンナノ材料が５〜２０質量％になるようにして混合した。

予備成形工程：図４（ｃ）にしたがって、予備成形体を作製した。
加熱処理工程：図５及び図６に基づいて、アルゴン雰囲気中で、７００℃（ＡＺ９１Ｄの場合は６５０℃）に１０分間保持した。
圧密工程：図５及び図６に基づいて、アルゴン雰囲気中で、加圧力を４０ＭＰａとし５８０℃（ＡＺ９１Ｄの場合は４８０℃）に１０分間保持した。
冷却工程：図５及び図６に基づいて、アルゴン雰囲気中で、４０ＭＰａの加圧力を掛けながら常温まで冷却して、直径が６０ｍｍで高さが２０ｍｍのカーボンナノ複合金属材料を得た。

第１の評価：押出し処理前のカーボンナノ複合金属材料から、試験片を切り出し、圧縮強さを計測した。計測値を次表に示す。

実験１〜実験４は、マトリックス金属が純Ｍｇの場合であり、実験５〜実験９はマトリックス金属がＡＺ９１Ｄの場合である。そして、実験１及び実験５は、比較対照のために微粒子付着カーボンナノ材料が含まれない組成とした。実験１を１００とした場合に、実験４は１４５となり、微粒子付着カーボン材料が２０質量％含まれているために、圧縮強度が４５％増加した。

図１０は微粒子付着カーボンナノ材料添加量と圧縮強さの相関図であり、表１の圧縮強さをプロットして得たグラフである。実験１〜実験４では、微粒子付着カーボンナノ材料の添加量に比例して圧縮強さが増加することが確認できた。実験５〜実験９でも、微粒子付着カーボンナノ材料の添加量に比例して圧縮強さが増加することが確認できた。

次に、押出し処理前のカーボンナノ複合金属材料に更に押出し成形加工を加えた実験を行なった。
押出し成形工程：図７に基づいて、押出し成形を実施する。前記カーボンナノ複合金属材料から直径が４３ｍｍで、高さが１５ｍｍのものを切り出し、押出し温度３５０℃、押出し比２５、ラム速度毎秒４ｍｍの条件で押出し、直径８ｍｍの押出し材（押出し処理済みのカーボンナノ複合金属材料）を得た。

第２の評価：押出し材（押出し処理済みのカーボンナノ複合金属材料）から、ＪＩＳ試験片を切り出し、圧縮強さを計測した。計測値を次表に示す。

便宜上、実験ＮＯは、実験１〜９に１０を加えて、実験１１〜１９とした。すなわち、実験１１は実験１に押出しを加えた。実験１２〜１９は実験２〜９に押出しを加えた。
実験１１〜実験１４は、マトリックス金属が純Ｍｇの場合であり、実験１５〜実験１９はマトリックス金属がＡＺ９１Ｄの場合である。そして、実験１１及び実験１５は、比較対照のために微粒子付着カーボンナノ材料が含まれない組成とした。実験１１を１００とした場合に、実験１４は１２１となり、微粒子付着カーボン材料が２０質量％含まれているために、圧縮強度が２１％増加した。

図１１は押出し成形後の微粒子付着カーボンナノ材料添加量と圧縮強さの相関図であり、表２の圧縮強さをプロットして得たグラフである。実験１１〜実験１４では、微粒子付着カーボンナノ材料の添加量に比例して圧縮強さが増加することが確認できた。実験１５〜実験１９でも、微粒子付着カーボンナノ材料の添加量に比例して圧縮強さが増加することが確認できた。

図１２は実験５〜９と実験１５〜１９とを並べて示したグラフであり、押出し成形前の実験５〜９に比較して、押出し成形を施した実験１５〜１９は９０〜１００ＭＰａだけ、圧縮強さが大きくなる。押出し成形の効果が顕著であることが確認できた。

尚、詳細な説明は省略するが、炭化物形成金属（金属炭素と反応して化合物を生成する元素）としてのＳｉをＴｉに換えても同様の機械的強度向上効果を得ることができた。さらに、炭化物形成金属として、Ｓｉ及びＴｉの他、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｖ（バナジウム）が採用できる。

また、マトリックス金属素材は、融点が約６５０℃であるＭｇ、Ｍｇ合金の他、融点が約６６０℃であるＡｌ、Ａｌ合金、融点が約２３２℃であるＳｎ、Ｓｎ合金、融点が約３２７℃であるＰｂ、Ｐｂ合金が採用できる。

本発明は、カーボンナノ材料とマトリックス金属素材とからなる複合金属材料に好適である。

本発明に係る混合体形成工程と真空蒸着工程を説明する図である。 微粒子付着カーボンナノ材料の模式図である。 図２の３−３線断面図である。 本発明に係る準備工程、混合工程及び予備成形工程の説明図である。 本発明に係る加熱処理工程、圧密化工程及び冷却工程に供する処理装置の原理図である。 本発明に係る加熱処理工程、圧密化工程及び冷却工程を説明するグラフである。 本発明に係る押出し工程の説明図である。 本発明に係るダイカスト成形の原理図である。 本発明方法で製造したカーボンナノ複合金属成形品の斜視図である。 微粒子付着カーボンナノ材料添加量と圧縮強さの相関図である。 押出し成形後の微粒子付着カーボンナノ材料添加量と圧縮強さの相関図である。 実験５〜９と実験１５〜１９とを並べて示したグラフである。 従来の技術の製造フロー図である。

符号の説明

１０…混合用容器、１１…有機溶媒、１２…炭化物形成微粒子、１３…カーボンナノ材料、１５…混合体、３０…微粒子付着カーボンナノ材料、３２…マトリックス金属素材、３５…混合物、４１…予備成形体、５７…加熱処理体、５８…圧密体、５９…押出し処理前のカーボンナノ複合金属材料、６０…押出し装置、６５…押出し処理済みのカーボンナノ複合金属材料、７０…金属成形装置、８６…カーボンナノ複合金属成形品。

Claims (8)

1. 炭素と反応して化合物を生成する元素を含む微粒子がカーボンナノ材料の表面全体に付着されている微粒子付着カーボンナノ材料、及びマトリックス金属素材を準備する準備工程と、
   前記微粒子付着カーボンナノ材料とマトリックス金属素材とを混合する混合工程と、
   得られた混合物を押し固めることで予備成形する予備成形工程と、
   得られた予備成形体を真空、不活性ガス若しくは非酸化性ガス雰囲気中で前記マトリックス金属素材の融点以上の温度まで加熱し、一定時間保持する加熱処理工程と、
   得られた加熱処理体を前記マトリックス金属素材の熱間加工が可能な温度まで冷却し、この温度で所定時間加圧して圧密化を図る圧密化工程と、
   前記所定時間が経過したら、得られた圧密体を冷却してカーボンナノ複合金属材料を得る冷却工程と、
   からなるカーボンナノ複合金属材料の製造方法。
2. 前記冷却工程では、前記圧密体を加圧しながら冷却することを特徴とする請求項１記載のカーボンナノ複合金属材料の製造方法。
3. 前記冷却工程に続いて、カーボンナノ複合金属材料を押出し成形する押出し成形工程を実施することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のカーボンナノ複合金属材料の製造方法。
4. 準備する微粒子付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成微粒子とを混合して混合体を得る混合体形成工程と、得られた混合体を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成微粒子を蒸発させ、前記カーボンナノ材料の表面に付着させることで得る真空蒸着工程と、から製造することを特徴とする請求項１記載のカーボンナノ複合金属材料の製造方法。
5. 前記混合体形成工程では、混合用容器に、有機溶媒と前記炭化物形成微粒子と前記カーボンナノ材料とを入れて撹拌し、乾燥させることを特徴とする請求項４記載のカーボンナノ複合金属材料の製造方法。
6. 前記炭化物形成微粒子が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする請求項４記載のカーボンナノ複合金属材料の製造方法。
7. 前記マトリックス金属素材が、Ｍｇ又はＭｇ合金であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１記載のカーボンナノ複合金属材料の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載のカーボンナノ複合金属材料の製造方法により製造されたカーボンナノ複合金属材料をダイカスト成形することで成形品を得ることを特徴とするカーボンナノ複合金属成形品の製造方法。

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