WO2007029588A1

WO2007029588A1 - 高機能複合材料及びその製造方法

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Publication number: WO2007029588A1
Application number: PCT/JP2006/317183
Authority: WO
Inventors: Mamoru Omori; Toshiyuki Hashida; Hisamichi Kimura; Akira Okubo; Yoshihiro Murakami; Shun Ito; Akihisa Inoue
Original assignee: National University Corporation Tohoku University
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2007-03-15
Also published as: US20090269573A1; JPWO2007029588A1

Abstract

【課題】安価な原料を使用でき、靭性が大きく、摩擦係数が小さく、耐摩耗特性に優れ、電気抵抗が小さく、電磁波吸収性に優れた新規な高機能複合材料およびその製造方法を提供する。【解決手段】0.1～90mass%のカーボンナノチューブ２と99.9～10mass%のアルミナ－シリカ系セラミックス３とを含む焼結体から成る。アルミナ－シリカ系セラミックス３は、アルミナ99.5～5mass%とシリカ0.5～95mass%とを含む。カーボンナノチューブ２とアルミナ－シリカ系セラミックス３のナノ結晶とが互いに絡み合ったナノ複合体１を、構成要素として有している。カーボンナノチューブ２とアルミナ－シリカ系セラミックス３の原料とを、水あるいはアルコール類の溶媒に入れ、スラリー状にして3～180分間混合し、この混合原料から溶媒を除去した後、非酸化性雰囲気中において800°C～1800°Cの温度範囲で５分から５時間かけて焼結する。

Description

明細書

高機能複合材料及びその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、実用的なセラミックスとして重要なアルミナおよびシリカを含むアルミナシリカ系セラミックスと、カーボンナノチューブとを含む複合材料に関し、従来のセラミックスの性能を改善し、さらに新規な機能を持たせた高機能複合材料とその製造方法に関するものである。

背景技術

[0002] アルミナシリカを原料とするセラミックスは、その価格が安いため、工業的に広い範囲で利用されている。これらセラミックスは、金属に比べて耐酸化性に優れている。また、電気を流さない絶縁性であり、誘電性であるため、少ないながら電磁波の吸収は可能である。アルミナ—シリカは耐食性にも優れている。しかし、これらセラミックスは、金属に比べて靭性が小さぐ材料としての信頼性に欠け、応力の付加により簡単に破壊するため、機械的性能を向上できれば適用範囲は格段に広がる。さらに、金属のような電気伝導性が付与された複合材料、ある！ヽは電磁波の吸収性能に優れた複合材料が開発されれば、従来のセラミックスの使用範囲を超えた利用が可能になる。

[0003] カーボンナノチューブは 1991年に発見された材料である（例えば、非特許文献 1参照)。この材料は、アスペクト比の大きな微細なチューブ構造のナノ繊維である。化学的性質は、ほぼ黒鉛材料に類似している。カーボンナノチューブは、他の材料に比ベて強度と弾性率が非常に大きぐ多層カーボンナノチューブの弾性率は 1800GPa ( 例えば、非特許文献 2参照）であり、単層カーボンナノチューブの強度は 45GPa (例えば、非特許文献 3参照)であると報告されている。

[0004] このカーボンナノチューブの機械的強度特性を利用した材料の開発の一つとして、カーボンナノチューブを使った複合材料、あるいはそれを固化した材料の開発が盛んに行われている。これらの複合材料において、その合成が室温あるいはそれに近 V、温度で行われる場合、すなわち高分子を使ってカーボンナノチューブ力複合材料を合成するときには大きな問題は生じない。しかし、金属、あるいはセラミックスを使う場合には、高温で合成が行われるため、二つの材料の間の熱膨張差によって生じる残留応力が問題になる。カーボンナノチューブは、温度を上げてもほとんど膨張しない (例えば、非特許文献 4参照)。これに対し、カーボンナノチューブと複合化させる金属やセラミックスの熱膨張係数は、 4 X 10— ⁶/K〜20 X 10— ⁶/Kとかなり大きい。このため、カーボンナノチューブとこれら物質との間には大きな残留応力が発生する。残留応力の小さな材料を作らないと、実用的な工業材料への応用は不可能である。さらに、針状のカーボンナノチューブは、微粒子に比べて、マトリックス中に均一に分散するのが困難である。特に、カーボンナノチューブの割合が多いと、この均一分散がいっそう困難であり、これまで、優れた複合材料は製造されていない。

[0005] カーボンナノチューブとアルミナシリカ系セラミックスとの複合材料の合成は、アルミナ単身とシリカ単身について行われてきた。主には、カーボンナノチューブとアルミナ粉とを混合し、それを原料にして焼結する方法である。この方法での出発原料となるアルミナ粉の粒径は、 200nm以上であり、それは焼結後には通常 lOOOnm以上に大きくなる。カーボンナノチューブは、アルミナ結晶の粒内力、、その粒界に分散されている。このような分散状態でも、アルミナ—単層カーボンナノチューブ複合材料の靭性値は、単層カーボンナノチューブを 10vol%添加した時、アルミナ単身に比べて 3倍大きくなつたと報告された (例えば、非特許文献 5参照)。しかし、その後の研究でこの靭性の改善は誤りで、このアルミナ単層カーボンナノチューブ複合材料の靭性は、ァルミナ単身とほとんど変わらないことが証明されている（例えば、非特許文献 6参照)。

[0006] 機械的性質が改善された例として、アルミナの微粉を使い、 10vol%の多層カーボンナノチューブと混合して得られた複合材料の靭性値は、アルミナ単身のそれに比べて 24%増加しているとの報告がある（例えば、非特許文献 7参照)。アルミナ粉末を用いる同じ手法で、アルミナの電気抵抗値の低減を目的にした材料開発もある（例えば、特許文献 1参照)。 0.1vol%のカーボンナノチューブの添加で、電気対抗は 10¹³から 1 0⁶のオーダーまで減少している。アルミナ粉ではなくアルミナの前駆体を原料とし、それとカーボンナノチューブとを混合し焼結する方法もある。この方法では、アルミナの前駆体にブトキシアルミニウム (Al(OC H ) )を使い、それをアルコールに溶解し多層カーボンナノチューブを加えて混合し、水を添カ卩してブトキシアルミニウムを加水分解し、乾燥して力も非酸ィ匕性雰囲気で 1250°Cに仮焼してカーボンナノチューブとアルミナとの混合粉体を作製し、それを焼結している。ここで得られた混合粉体のアルミナの粒径は、 500nm以上に成長しており、それを焼結して得られた複合材料中のアルミナの粒径は、 lOOOnm以上と大きくなり、カーボンナノチューブは、アルミナの粒内に分散すると同時に塊となって粒界に存在している。この複合材料の靭性は、カーボンナノチューブを 1.5vol%添加したもので最大になり、アルミナ単身のそれより 1.1倍大きくなつているにすぎない (例えば、非特許文献 8参照)。以上述べたような方法では、出発原料である粉体の粒径が大きぐ複合材料中のアルミナの結晶の大きさを 500m m以下にするのは不可能である。

[0007] アルミナとカーボンナノチューブとのナノ複合材料の製造にっ、ての報告がされている（例えば、特許文献 10参照)。そこにおいても、原料にアルミナ粉が使われている。この方法では、アルミナの結晶を成長させないで、ナノ複合材料を製造するためには、製造条件を厳密に制御する必要があり、それによる製造コストの上昇は避けられない。アルミナ粉以外の原料の使用に関し、水酸ィ匕アルミニウムについての言及も見られる（例えば、特許文献 3参照)。しかし、純粋の水酸ィ匕アルミニウムカゝら製造される複合材料においては、アルミナの結晶が 20mm以上に大きく成長し、カーボンナノチユーブとアルミナマトリックスとの間で分離が起こり、カーボンナノチューブが塊で存在するようになり、高機能複合材料の製造は困難になる。シリカ単身とカーボンナノチューブとの複合材料の製造も行われている（例えば、非特許文献 9参照)。これによると、カーボンナノチューブ、水、テトラエトキシシランを超音波を使って混合してゲルを作り、これを水酸ィ匕ナトリウムの水溶液に流し込み、最後に乾燥してからレーザービームでシリカを溶融して複合材料を合成して、る。シリカ単身の複合材料では柔らかくて脆ぐ複合材料としての大きな機械的性能の向上は期待できない。

[0008] アルミナの熱膨張係数は 8 X 10— ⁶/K、ムライト（3A1 0 · 2S10 )の熱膨張係数は 4 X 10

2 3 2

一⁶/ K、シリカの熱膨張係数は 0.5 X 10— ⁶/Κである。シリカ以外の熱膨張係数は、カーボンナノチューブのそれと比べて大きぐアルミナ一シリカ系セラミックス結晶の中に力一ボンナノチューブが存在すると、焼結温度力室温への冷却中にアルミナ一シリカ系セラミックスは収縮し、カーボンナノチューブは収縮しないために、大きな残留応力が発生し、複合材料の靭性と強度とを大きくすることは困難になる。また、アルミナ— シリカ系セラミックスの粒界に存在するカーボンナノチューブは、破壊のクラックの進展を阻止する機能は小さぐ先に述べた報告に見られるようにカーボンナノチューブ一アルミナ複合材料の靭性と強度とは大きくなつていない。さらに、複合材料の製造において、セラミックス粉とカーボンナノチューブとをスラリー状態で混合すると、カーボンナノチューブが凝縮し、カーボンナノチューブの凝縮体中にセラミックス粉体の原料が進入しにく!/、ため、生成した複合材料の中にはカーボンナノチューブが塊で存在する。

非特許文献 1 :飯島 (S.Iijima),「ヘリカルマイクロチューブォブグラフアイトカーボン (Helical Microtubules of Graphite Carbon)] ,ネイチヤー (Nature), (英国）， 1991, 354, 56-58.

非特許文献 2 :トレーシー、エベッセン (M. M. J. Treacy and T. W. Ebbesen),「エタセプショナリイハイヤングスモジュラスォブザーブドフォーインディビデュアル力' ~~ボンナノテュ' ~~ブ (Exceptionally High Young s Modulus Observed ror Individu al Carbon Nanotubes)」、ネイチヤー (Nature), (英国）， 1996, 381, 678-680.

非特許文献 3 :ゥオルター、他 6名（D. A. Walters, L. M. Ericson.M. J. Casavant, J. Li u, D. T. Colbert, K. A. Smithand R. E. Smalley),「エラスティックストレインォブフリーリイサスペンデッドシングルウォールカーボンナノチューブロープ (Ela stic Strain of Freely Suspended Single-Wallし arbon Nanotube Ropes)」, プフイトフィジックスレター (Appl. Phy. Lett.), (米国）， 1999, 74[25], 3803-3805.

非特許文献 4 :真庭、他 11名 (Y.Maniwa, R. Fujiwara, H. Kira.H. Tou, H. Kataura, S .Suzuki, Y. Achiba, E. Nishibori.M. Takata, M. Sakata, A. Fujiwara and H. Suemats u),「サーマルェクスパンシヨンォブシングルウォールドカーボンナノチューブ（エスダブリューェヌティー）バンドル：エックス一レイディフラクションスタアイ (Thermal Expansion of bingle-Walled Carbon Nanotube (SWNT) Bundles: X-ray Diffraction Studies)] ,フィジカルレビュービー (Phys. Rev. B), (米国）， 2001, 64, 2 41402-1-3. 非特許文献 5 :ザン、他 3名 (G- D.Zhan, J. D. Kuntz, J. Wan and A. K. Mukherjee), 「シングルウォールカーボンナノチューブァズアトラクティブタツフエユングエージェントインアルミナ一ベースドナノコンポジット (Single- Wall Carbon Nanotu bes as Attractive Ί oughening Agents in Alumina- Based

,ネィテャ一マテリアル (Nature Mater.), (英国）， 2003, 2, 38-42.

非特許文献 6 :ワン、他 2名 (X.Wang, N. P. Padture and H. Tanaka),「コンタクトーダメージ一レジスタンスセラミック Zシングルウォールカーボンナノチューブアンドセフック zグフファイトコンポンット (Contact— Damage— Resistance Ceramic/Singl e— Wall し arbon Nanotuoes and Ceramic/ Graphite Composites)」 ,不ィチヤ' ~~ マァリァノレ (Nature Mater.), (英国）， 2004, 3, 539-544.

非特許文献 7 :シーゲル、他 6名 (R.W. Siegel, S. K. Chang, B. J. Ash, J. Stone, P. M . Ajayan.R. W. Doremus andし S. Schadler),「メカ二力ノレビヘイバーォブポリマ一アンドセラミックスマトリックスナノコンポジット (Mechanical Behavior of Polyme r and Ceramics Matrix Nanocomposites)」 ,スクリフ。タマアリアリア (Scripta Mater.), 、米国）， 2001, 44, 2061-2064.

特許文献 1：特開 2004-244273号公報

非特許文献 8 :モ、他 4名 (C.B. Mo, S. I. Cha, K. T. Kim, Κ. Η. Lee and S. H. Hong) , 「フアブリケイシヨンォブカーボンナノチューブリインフォースドアルミナマトリックスナノコンポジットノィゾノレ一ゲノレプロセス (Fabrication of Carbon Nanotu be Reinforced Alumina Matrix Nanocomposite by bol-uel Processノ」 , マァリゾノレサィエンスアンドエンジニアリング (Mater. Sci. Eng.), (米国）， 2005, A 395, 124-128 特許文献 2：特表 2004-507434号公報

特許文献 3：特開 2004-256382号公報

非特許文献 9 :シーガー、他 5名 (T. Seeger, G dela Fuente, W. K. Maser, A. M. Beni to, M. A. Callejas and M. T. Martinez),「エボリユーシヨンォブマノレチウォーノレドカーボンナノチューブ Zエスアイォーツーコンポジットビアレーザートリ ~~トメン KEvolution of Multiwalied Carbon— Nanotube/¾i02 composites via Laser Tr eatment)j ,ナノテクノロジー (Nanotechnology), (英国）， 2003, 14, 184-187.

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 上記のような従来の技術では、カーボンナノチューブの添加量に対して優れた機械的特性、電気的特性を発揮するようなアルミナシリカ系セラミックス複合材料を製造することは不可能であると、う課題があった。

[0011] 本発明は、このような課題に着目してなされたもので、安価な原料を使用でき、靭性が大きぐ摩擦係数が小さぐ耐摩耗特性に優れ、電気抵抗が小さぐ電磁波吸収性に優れた新規な高機能複合材料およびその製造方法を提供することを目的としてヽる。

課題を解決するための手段

[0012] 上記目的を達成するために、本発明に係る高機能複合材料は、カーボンナノチューブ 0.1〜90mass%とアルミナシリカ系セラミックス 99.9〜10mass%とを含む焼結体から成り、前記アルミナシリカ系セラミックスはアルミナ 99.5〜5mass%とシリカ 0.5〜95m ass%とを含み、前記カーボンナノチューブと前記アルミナシリカ系セラミックスのナノ結晶とが互いに絡み合ったナノ複合体を構成要素として有していることを、特徴とする。

[0013] 本発明に係る高機能複合材料の製造方法は、カーボンナノチューブ、および、ァルミナ相当量で 99.5〜5mass%の水酸化アルミニウム (Al(OH) )とシリカ相当量で 0.5〜

3

95mass%のシリカゲル (SiO .nH 0)とを含むアルミナシリカ系セラミックス原料を、前

2 2

記カーボンナノチューブ 0.1〜90mass%、前記アルミナシリカ系セラミックス原料 99.9 〜10mass%の割合で水あるいはアルコール類の溶媒に入れ、スラリー状にして 3〜18 0分間混合し、この混合原料力前記溶媒を除去した後、非酸化性雰囲気中において 800°C〜1800°Cの温度範囲で 5分から 5時間かけて焼結することを、特徴とする。

[0014] 本発明者らは、カーボンナノチューブがアルミナシリカ系セラミックスの結晶成長に及ぼす効果およびその分散性について鋭意研究してきた。その結果、カーボンナノチューブは、アルミナシリカ系セラミックスの結晶核が大きな結晶に成長するのを抑制し、その分散性も改善できることを発見した。すなわち、出発原料にアルミナ— シリカ系セラミックス結晶を生成する前駆体、すなわち水酸ィ匕アルミニウムとシリカゲルとを用いると、カーボンナノチューブの複合材料中での分散がよくなり、セラミックスの結晶成長が 200nm以下のナノサイズに抑えられる。そのために、複数のアルミナシリカ系セラミックスのナノ結晶を、カーボンナノチューブが橋渡す形で結合する、絡み合った状態のナノ複合体が形成される。このナノ複合体中のセラミックスのナノ結晶が収縮すると、それと絡み合つているカーボンナノチューブは変形できるため、複合材料中に発生する残留応力は少なくなり、複合材料全体の靭性と強度とを向上できる。

[0015] 一方、アルミナ単身力得られた複合材料では、セラミックスの結晶が 20mm以上に大きく結晶成長し、複合材料の強度は著しく低下する。これに対し、アルミナシリカ系セラミックス複合材料のセラミックス相は、単相でないため、混在しているムライト相の影響によりアルミナの結晶成長が阻止され、 20mm以上に大きく成長することはなく、大きくても数 mm以下である。そのために分散性が良くなり、少ない量のカーボンナノチューブの添カ卩により機械的特性、電気伝導性、電磁波吸収の改善がなされることを見いだした。こうして、本発明者らは、高機能複合材料およびその製造方法に関する本発明を完成するに至った。

[0016] 本発明に係る高機能複合材料では、カーボンナノチューブとアルミナ—シリカ系セラミックスのナノ結晶とが互いに絡み合ったナノ複合体自体が、靭性および強度の大きい複合材料であり、これがアルミナシリカ系セラミックス中に分散している。このため、靭性が大きい。カーボンナノチューブの黒鉛としての特性を生かすことができ、耐摩耗特性が改善され、摩擦係数が小さい。絶縁性から導電性に転換しており、電気抵抗が小さぐ電磁波吸収性に優れている。また、原料として、安価なアルミナ—シリ力系セラミックス原料を使うことができる。本発明に係る高機能複合材料は、摩擦係数力 .07〜0.30、電気抵抗が 10一²〜 10⁷ Ω ' cmであることが好ましい。本発明に係る高機能複合材料の製造方法によれば、本発明に係る高機能複合材料を製造することができる。

[0017] 本発明に係る高機能複合材料およびその製造方法で、カーボンナノチューブとは、単層カーボンナノチューブ、 2層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、非晶質カーボンナノチューブおよびカーボンナノロッド等の総称であり、これらのいずれを用いてもよぐこれらの 1種または 2種以上の混合物を用いてもよい。このいずれの場合でも、性能の向上に対する効果は変わらない。

[0018] 本発明に係る高機能複合材料の製造方法で、スラリーの混合には、カーボンナノチューブを破壊することなく均一混合が可能な自転、公転方式スーパーミキサーを用いるのが好ましい。焼結に関しては基本的には無加圧下で可能である力アルミナーシリカ系セラミックスの量に対しカーボンナノチューブの量が多くなるときには、加圧焼結機を用いると緻密化が容易である。加圧焼結機としては、ホットプレス (HP) や放電プラズマ焼結機 (SPS)を用いることが好ま、。

[0019] 本発明に係る高機能複合材料の製造方法で、前記焼結を行うための前処理として、前記混合原料から前記溶媒を除去した後、非酸化性雰囲気中おいて 200°C〜900 °Cの温度範囲で 5〜60分間仮焼して分解脱水することが好ましい。この場合、焼結時の昇温を早く行うことができるため、焼結中の収縮率を抑制でき、製品にクラックが入るのを防ぐことができる。また、焼結炉に水分が付着して汚染されるのを防ぐこともできる。

発明の効果

[0020] 本発明によれば、安価な原料を使用でき、靭性が大きぐ摩擦係数が小さぐ耐摩耗特性に優れ、電気抵抗が小さぐ電磁波吸収性に優れた新規な高機能複合材料およびその製造方法を提供することができる。これにより、従来のアルミナシリカ系セラミックスを使用できな力つた分野でも使用可能な高機能複合材料およびその製造方法を提供することができる。

発明を実施するための最良の形態

[0021] 以下、本発明を実施するための最良の形態について、詳細に説明する。なお、本発明の実施の形態の高機能複合材料は、本発明の実施の形態の高機能複合材料の製造方法により製造される。

工業的にアルミナは、バイヤー法で製造されている。すなわち、原料のボーキサイトを水酸ィ匕ナトリウム溶液と加熱処理してアルミン酸ナトリウム溶液とし、これを希釈して力水酸ィ匕アルミニウムの種結晶をカ卩えると、水酸ィ匕アルミニウムが析出する。この水酸ィ匕アルミニウムを 1200°C以上で焼成してアルミナ粉を製造している。従って、水酸化アルミニウムは、アルミナの前駆体であり、価格はアルミナよりは低い。この水酸ィ匕アルミニウムは、 276°C力も分解が始まり、 375°Cでそれが終了し、アルミナ結晶の核を生成する。この核の結晶成長は、 1000°C以上で顕著になる。

[0022] シリカゲルは、ケィ酸ナトリウム（水ガラス）の水溶液に塩酸などの酸を加えて中和し、沈殿を生成させ、それを洗浄 ·乾燥して作られている。ケィ酸ナトリウムは、安価原料であり、シリカゲルも工業原料として安く手に入れることが出来る。このシリカゲルは、低温の約 30°Cから水を失い始め、 81°Cで分解が最大になり、非晶質のシリカを生成する。

[0023] 本発明の実施の形態の高機能複合材料およびその製造方法のアルミナシリカ系セラミックスには、アルミナ単身は含まれていない。水酸化アルミ-ゥのみとカーボンナノチューブとから複合材料を合成すると、焼結中にアルミナが 20mm以上に粒成長する。その粒成長の過程で、カーボンナノチューブが集まり、凝集して分散性も悪くなり、そのために、得られた複合材料の機械的および電気的特性が著しく低下する。複合材料中に生成するシリカは、非晶質状態で結晶にならないため、粒成長による性能の劣化の問題はない。しかし、シリカは、柔ら力べて脆いセラミックスであるため、材料として使用可能な複合材料とするためには、アルミナで補強する必要がある。

[0024] 本発明の実施の形態の高機能複合材料およびその製造方法に用いられるカーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザー蒸発法、プラズマ合成法、炭化水素触媒分解法によって主に作られて、る。これらの方法によって製造されるカーボンナノチユーブには、単層カーボンナノチューブ、 2層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、非晶質カーボンナノチューブ、さらに中空部分が小さいか、あるいはほとんどな、カーボンナノロッドと呼ばれるカーボンナノチューブも存在する。触媒として、 Fe, Co, Ni、 Ceなどの金属を使うと合成が容易になるため、多くのカーボンナノチューブ製品にはこれらの金属が共存している。しかし、これら金属触媒は、酸による洗浄で除去できるので、使用上の問題はない。これら金属不純物以外に、非晶質炭素やフラーレンなどの不純物炭素が混入してくることが多い。しかし、これら不純物が混在したものでも、その割合が 50重量％以下であれば、原料として使っても、純粋なカーボンナノチューブを使った時に比べて複合材料の性能が著しく低下することはない。しかし、ナノ複合体の生成のためには、カーボンナノチューブの割合が多い方が有利である。機械的性質は、この 5種類のカーボンナノチューブについて大きな差はなぐそれぞれを単独あるいは混合して使っても効果には変わりがない。

[0025] 本発明の実施の形態の高機能複合材料の製造方法においては、アルミナの前駆体である水酸ィ匕アルミニウムを使用している。さらに、シリカの原料としても同様に、シリ力の前駆体であるシリカゲルを使用している。水酸化アルミニウムは、 400°C以下で分解してアルミナ核を生成し、加熱温度を高くしていくと結晶成長し、 1200°C以上の処理でアルミナ粉として市販されている粉体になる。しかし、カーボンナノチューブ、シリ力、アルミナが共存すると、アルミナ結晶核とムライト結晶核との成長が抑制され、複合材料の焼結温度以上に加熱しても、これらの結晶は 200應以上に大きく成長しないで、ナノ結晶状態で止まっている。カーボンナノチューブの長さは lOOOnm以上あるため、複数のナノアルミナ結晶、ナノムライト結晶を橋渡する形で、絡み合った状態で組織を作ることになる。このようなナノアルミナシリカ系セラミックスとカーボンナノチユーブとの組織はナノ複合体であり、これまでにその報告はなぐ本発明者らが初めて発見したものである。カーボンナノチューブがアルミナシリカ系セラミックスの量に対して少ないと、このナノ複合体は、アルミナシリカ系セラミックスの多結晶マトリックス中に島状に分散された組織を形づくる。このマトリックスは、アルミナ一シリカ系セラミックスであり、アルミナとシリカとの混合組成となっている。そのために、アルミナ単身のように、複合材料を製造したときに結晶の大きさが 20mm以上に成長するような粒成長は起きない。

[0026] 複合材料の強度と靭性とは残留応力の大きさに依存する。一般的には、残留応力が多くなると、強度および靭性は下がる。その理由は、クラックの発生によって残留応力が緩和できるようになるためである。一般的なセラミックス多結晶体において、残留応力が比較的少ないときには、主に粒界の強度が弱くなり、クラックの偏向による靭性向上の効果が期待でき、強度および靭性の向上の可能性もある。カーボンナノチユーブと、アルミナシリカ系セラミックスとの間の熱膨張差は大きぐカーボンナノチユーブの均一分散では、カーボンナノチューブに対し、マトリックスのアルミナシリカ系セラミックス力も大きな圧縮応力が作用し、添加量が少なくても複合材料中に大きな残留応力が発生する。この結果、カーボンナノチューブの添加量の増大に伴って、複合材料にはクラックが発生し易くなり、カーボンナノチューブの量が多くなると、ひび割れのために製造が不可能になる。アルミナシリカ系セラミックスでも、アルミナを全く含まないシリカのみでは、熱膨張差による残留応力の発生は少ない。

[0027] しかし、本発明の実施の形態の高機能複合材料においては、カーボンナノチューブの割合が少なくても、ナノ複合体がアルミナシリカ系セラミックス中に分散した組織であり、その均一分散にはなっていない。図 1に示すように、このナノ複合体 1では、カーボンナノチューブ 2は、アルミナシリカ系セラミックス 3の多結晶中に閉じ込められていないで、二つが絡み合った状態になっている。ナノアルミナシリカ系セラミックス 3の粒子は、 200nm以下であり、その直径よりはるかに長いカーボンナノチューブ 2と絡み合つている。絡み合った二つの間に強力な化学結合が出来る可能性はなぐファンデルワールス力のみによって結合されている。このナノ複合体 1において、カーボンナノチューブ 2とアルミナシリカ系セラミックス 3との間の結合力が強いと、これらの二つの熱膨張差による残留応力が緩和できなくなり、多層カーボンナノチューブ 2の添加量の増大に伴って、その残留応力は複合材料を破壊するまでになる。しかし、緻密で割れない複合材料が得られていることは、残留応力の緩和が行われていることを示している。すなわち、ナノ複合体 1内ではファンデルワールス力による結合のために、多層カーボンナノチューブ 2は変形できる状態になっている。アルミナ一シリカ系セラミックス 3のナノ結晶が収縮するに従って、カーボンナノチューブ 2は長さ方向で曲がることが可能で、これによつて残留応力が緩和されるようになる。残留応力が緩和されることで複合材料の靭性と強度とが小さくなることはない。複合材料中でクラックが進展すると、ナノ複合体 1中ではカーボンナノチューブ 2の引き抜きが起き、これによつて靭性および強度の増大力あたらされる。カーボンナノチューブ 2の割合が多くなると、生成するナノ複合体 1の割合が多くなり、残留応力の緩和がよくされるために、複合材料の強度がそれによつて低下することは全くない。

[0028] 本発明の実施の形態の高機能複合材料を製造するためには、微細で異方性の大きいカーボンナノチューブと、アルミナシリカ系セラミックスの原料である水酸化ァルミ-ゥムとシリカゲルとを均一に混合する必要がある。混合技術として、これら三つの原料は溶液にできないので、粉末同士の混合方法を採用する必要がある。粉体の混合方法には色々ある力カーボンナノチューブは凝集する傾向があるために、乾燥状態での均一混合は困難である。また、溶媒を使った湿式混合において、溶媒の量が多いと、比重差による沈殿速度の違いから分離が起き、均一混合を達成するのが困難である。この分離沈殿を防ぐために、水やアルコールに粉体を入れて粘性の大きなスラリーを作り、それをボールミルで長時間回転混合する方法が一般的に行われている。

[0029] し力し、この方法ではボールによってカーボンナノチューブが破壊される。本発明の実施の形態の高機能複合材料の製造方法では、この破壊を防ぎ、短時間で均一混合を行うために、スラリーの混合を自転、公転スーパーミキサーを使って行った。この装置は、スラリーの入った容器を自転させ、それを支える本体を反対方向に公転させて混合を行うもので、粘性の高いものの混合に適している。このように反対方向に自転および公転をさせることにより、スラリーにせん断応力を作用させて、凝集した部分を破壊する力を与えている。この方法により、比較的短時間での均一混合が可能になる。このスラリーを作るに際し、分散をよくするために界面活性剤や分散剤を添カロすると、均一混合の時間を短くできる。

[0030] 本発明の実施の形態の高機能複合材料の焼結を、基本的には無加圧下で行うことが出来る。しかし、アルミナシリカ系セラミックスの混合割合がカーボンナノチューブの量に比べて少なくなると、セラミックスによる焼結性能が劣るようになるために、無力口圧焼結法では緻密で強度の大きい焼結体を作ることが困難になる。加圧下での焼結法を用いると、全ての混合範囲で容易に緻密な複合材料を作ることが出来る。工業的利用価値の高、加圧焼結法は、ホットプレス法 (HP)および放電プラズマ焼結法 (SP S)である。

[0031] ホットプレス法は、試料の入った黒鉛型を加圧しながら、通常は非酸化性の雰囲気中で、外熱加熱法により焼結温度まで昇温し、その温度に一定時間保持して製品を製造する方法である。この方法では、加圧による緻密化促進の効果が期待できるために、アルミナシリカ系セラミックスが 60mass%以下になって焼結性が悪くなつた高機能複合材料の緻密化も容易に行うことができる。

[0032] 放電プラズマ焼結機 (SPS)は、プラズマ活性ィ匕焼結機 (PAS)、放電プラズマシステム ( SPS)、パルス通電焼結機などと呼ばれ、金属やセラミックスを焼結するために開発された装置であり、その構成の特徴は、伝導性の型に試料を詰め、そこへ直接にパルス直流電流を流して加熱するところにある。その結果、型内の試料にパルスの電場が作用し、物質の拡散が促進され、塑性変形し易くなる。さらに、電気抵抗の大きな粉末においては、試料表面にわずかな電流が流れ、これが結晶表面での分子の移動を加速し、結晶成長を促進する。固相反応においても、分子の移動が促進されるために、従来よりも低温で反応できるようになる。このような SPSの効果を使うことにより、従来は不可能であった WCのみからなる焼結体や、 AINあるいは SiCのみからなる焼結体の製造が可能になっている。

[0033] 本発明の実施の形態の高機能複合材料は、カーボンナノチューブ 0.1〜90mass%とアルミナシリカ系セラミックス 99.9〜10mass%とを含む焼結体から成っており、カーボンナノチューブとアルミナシリカ系セラミックスのナノ結晶とが互いに絡み合ったナノ複合体を形成し、このナノ複合体を構成要素として有している。このナノ複合体それ自体が、靭性および強度が大きい複合材料であり、これがアルミナシリカ系セラミックス中に分散することで靭性および強度が大き、高機能複合材料を生成して!/、る。カーボンナノチューブの混合割合が 0.1mass%より少ないと、耐摩耗性能の一部である摩擦係数をアルミナのそれに比べて小さくすることが出来ない。また、 90mass%以上にカーボンナノチューブの割合を多くすると、高機能複合材料の強度がカーボンナノチューブのみを固化したものと変わらなくなる。

[0034] さらに、本発明の実施の形態の高機能複合材料のアルミナシリカ系セラミックスは、アルミナ 99.5〜5mass%とシリカ 0.5〜95mass%とを含んでいる。原料の水酸化アルミニゥム単身とカーボンナノチューブとを混合し焼結すると、得られた複合材料のアルミナの粒径が 20mm以上に結晶成長して、靭性および強度が著しく低下して使用出来なくなる。この結晶成長は、アルミナとシリカとの混合組成にすることで防ぐことができ、シリカの混合量が 0.5mass%以上で、結晶成長は完全に抑制され、靭性および強度の大きな高機能複合材料を合成できる。他方、シリカの混合量が 95ma_SS%以上になると、アルミナ—シリカ系セラミックスが柔らかく脆くなるため、高機能複合材料の強度が小さくなり、実用材料としての利用が困難になる。

[0035] 次に、本発明の実施の形態の高機能複合材料の製造方法について説明する。高機能複合材料の製造には、単層カーボンナノチューブ、 2層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、非晶質カーボンナノチューブおよびカーボンナノロッドのすベてを使用することができる。さらに、これらの 2種以上の混合物を使用することができる。一方、アルミナシリカ系セラミックスの原料としては、アルミナの前駆体である水酸ィ匕アルミニウムと、シリカの前駆体であるシリカゲルとの混合原料を使用する

[0036] 続いて、アルミナシリカ系セラミックスとカーボンナノチューブとの混合であるが、まず、カーボンナノチューブの規定量を秤量し、それを容器に入れて、水または蒸留水、あるいはメタノール、エタノール等のアルコールをカ卩えてスラリーを作る。スラリー中でのカーボンナノチューブの分散を良くするために、界面活性剤あるいは分散剤を添加すると混合時間が短縮できる。さらにこの添加剤は、スラリーの粘性を調節する役割をも担っている。界面活性剤や分散剤には多くの種類があるが、これらの中でアルカリあるいはアルカリ土類に属する元素を含まないものを使用する必要がある。これらの元素が含まれていると、複合材料中にそれらが残るからである。その添加する量の目安は、溶媒に対して 0.1〜10vol%である。 0.1vol%以下では添加効果が小さく、 10vol%以上添加しても効果には変化がなくなる。

[0037] このスラリーに水酸ィ匕アルミニウム、シリカゲル粉を入れて、 3〜180分間混合する。

この混合で自転、公転スーパーミキサーを使うと均一混合を効率的に行うことが出来る。混合時間が 3分以下では混合が均一に行われず、 180分以上混合しても混合の状態が変わらない。この混合したスラリー力も溶媒の水分を除き、さらにホットプレートあるいは乾燥機を用ヽて 150〜250°Cで乾燥し、同時に添加した界面活性剤ある!/ヽは分散剤を分解し、焼結用の混合原料とする。

[0038] この混合原料をそのまま使っても、アルミナ一シリカ系セラミックス複合材料を得るための焼結を行うことが出来る。しかし、大きな形状の製品の製造のため、あるいは昇温を速く行うためには、混合原料の水酸ィ匕アルミニウムとシリカゲルとを仮焼分解して水分を除去した方が、焼結中の収縮率を抑制でき、製品にクラックが入るのを防ぐことができて、かつ焼結に用いる雰囲気炉が水分で汚染されるのを防ぐことが出来る。この仮焼は、非酸ィ匕性の雰囲気で行う必要がある。酸化性の雰囲気では、カーボンナノチューブが酸化されて無くなってしまう。仮焼の温度は、 200°C〜900°Cの範囲が適当である。 200°Cより温度が低いと水酸ィ匕アルミニウムあるいはシリカゲルの分解が十分に行われないし、 900°C以上ではアルミナ結晶およびムライト結晶が大きくなり、カーボンナノチューブのナノ複合体を生成させることが出来なくなるためである。また、仮焼の時間は、 5分力も 60分が適当である。すなわち、 5分より時間が短いと分解が十分でなぐ 60分以上分解しても分解がすでに完了しているので効果はない。

[0039] アルミナシリカ系セラミックス複合材料を無加圧焼結法で製造するためには、焼結に先立って必要な形に成形する必要がある。この成形は、射出成形法、型押し成形法、スリップキャスト法などの従来技術を使って行うことが出来る。無加圧焼結の温度は、 900°C〜1800°Cの温度範囲である。 900°C以下では無加圧下での焼結が十分に進行しないし、 1800°C以上に焼結温度を高くしても焼結が完了しているので焼結に対する効果は変わらない。無加圧の焼結時間は 0.2時間から 5時間の範囲が適当である。 0.2時間より時間が短いと焼結が十分ではなぐ 5時間以上焼結しても緻密化の効果はほとんどない。この無加圧焼結は、電磁波焼結装置を用いても行うことができる。黒鉛材料は、誘電性電磁波吸収体として高分子やコンクリートに混合して使われている。同様にアルミナ—シリカ系セラミックスも誘電性電磁波吸収体である。無力口圧焼結用の混合原料を成型した後、電磁波焼結装置を用いて電磁波吸収による発熱によって、 900°C〜1800°Cの温度に加熱し、最終到達温度に 0.1〜3時間保持して焼結を完了することで、本発明の実施の形態の高機能複合材料を得ることができる。焼結温度において、 900°C以下では緻密な焼結体とすることができず、 1800°Cで焼結が完了しておりそれ以上に高い温度は必要がない。焼結時間に関し 0.1時間以下では焼結が十分ではなぐ 3時間以上に時間を長くしても焼結に対する効果は変わらない。

[0040] 加圧焼結法は、カーボンナノチューブの割合が多い混合原料を使う場合に有利である。加圧焼結機としては、ホットプレスと SPSとを使うことで緻密な焼結体を得ることができる。ホットプレスにおいては、型に詰めた混合原料を外熱加熱によって温度を上げ、加圧下で焼結する。一方、 SPSにおいては、混合原料の入った型にパルス直流を流し、直接加熱して加圧下で焼結する。焼結温度は、 800°C〜1600°Cの範囲で、焼結時間は、 5分から 2時間であり、加圧力は 2〜200MPaである。焼結温度は、加圧力と関連し、焼結温度を下げるためには加圧力を大きくする必要がある。加圧力は、型の耐圧性能で決まる。緻密な黒鉛型は、 2400°Cの温度まで、最大 200MPaまで使用することができる。焼結温度を 800°C以下にすると、加圧力を 200MPaと大きくしても、複合材料を緻密に焼結することはできないので、焼結温度を 800°C以上とすることが不可欠である。温度を 1600°C以上にしても、それ以下の温度ですでに焼結しているので緻密化に対する効果はない。終結の時間は 5分から 2時間が適当である。 5分より時間が短いと焼結が十分ではなぐ 2時間以上かけても焼結はすでに完了しているので、それよりの緻密化の効果は期待できない。加圧力を 200MPa以上に高くすると、耐圧性能に優れた緻密な黒鉛型でも破壊するので、この加圧力以下で複合材料の焼結を行う必要があり、 2MPa以下に加圧力を下げると加圧焼結の効果がなくなる

[0041] なお、仮焼と焼結とを酸化雰囲気中で行うと、カーボンナノチューブが酸化されるので、非酸化性である真空や、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスその他の非酸ィ匕性のガス雰囲気とすることが必要である。

実施例 1

[0042] 多層カーボンナノチューブ (MWNT)と水酸化アルミニウム (Al(OH) )とシリカゲル (SiO

3

•nH 0)とを、表 1に示す A1 0および SiO相当量の割合になるように秤量した。これら

2 2 2 3 2

の原料を水と混合してスラリーを作り、そこへ分散剤として水の約 3vol%になるようにトリエタノールアミンを添加し、自転'公転スーパーミキサーを使って 1時間混合した。この混合原料を乾燥後、空気中で 200°Cに加熱して分散剤を分解し、さらに雰囲気炉を使い窒素ガスを流しながら、 600°Cまで 1.5時間で昇温し、その温度に 30分間保持して原料の水酸ィ匕アルミニウムとシリカゲルとを分解した。この分解された原料をモールド成型し、黒鉛発熱の電気炉を用いて、窒素雰囲気中で 1700°Cまで 2時間かけて昇温し、その温度に 3時間保持して焼結を完了した。 [0043] 得られた複合材料の MWNTの混合割合に対する、カゝさ密度、曲げ強度、靭性、摩擦係数、電気抵抗の変化を表 1に示した。比較のために、 MWNTを添加しないアルミナ—シリカ系セラミックス焼結体と、水酸ィ匕アルミニウム原料にして合成したアルミナ焼結体を同じ方法で合成して表 1に示す。表 1に示すように、カーボンナノチューブを含まないアルミナシリカ系セラミックス焼結体の靭性および曲げ強度は、ある程度の大きさで、摩擦係数および電気抵抗は、カゝなり大きい。アルミナ焼結体は、アルミナ結晶の粒成長のために曲げ強度はかなり小さくなつている。 MWNTをわずかに添カロすることで、摩擦係数および電気抵抗の低下が著しぐ微細なカーボンナノチューブのアルミナシリカ系セラミックスへの分散が効果的であることを示している。靭性と強度との改善に対し、 MWNTの 1 ％以下の添加では効果がさほど大きくないが、数 %の添加で大きな効果が得られている。 MWNTの添加量が多くなると、摩擦係数と電気抵抗とは大きく低下する。得られた複合材料の電磁波吸収に関して、電子レンジを使って調べた。 X印は電子レンジを用いて電磁波を照射しても、発熱しないことを示している。〇印は少しの発熱を意味し、〇二つは発熱が著しいことを示している。表 1 に示すように、複合材料は、 3wt%のカーボンナノチューブの添カ卩により電磁波を吸収して少し発熱し、それ以上の添加ではかなり発熱することが分かる。

[0044] [表 1]

無加圧焼結によって得られたアルミナ一シリカ系セラミックス複合材料

実施例 2 [0045] 単層カーボンナノチューブ (SWNT)および多層カーボンナノチューブ (MWNT)を使い、これらのいずれか一方と水酸ィ匕アルミニウムとシリカゲルとを、表 2および表 3に示す A1 0および SiO相当量になるように秤量した。これらの原料を水と混合してスラリ

2 3 2

一を作り、そこへ分散剤として水の約 4vol%になるようにアラビア糊を添加し、自転 '公転スーパーミキサーを使って 1.5時間混合した。この混合原料を乾燥後、空気中で 22 0°Cに加熱して分散剤を分解し、さらに雰囲気炉を使い窒素ガスを流しながら、 200°C まで 0.5時間かけて昇温し、それから 400°Cまで 1.5時間で昇温し、その温度に 30分間保持して原料の水酸化アルミニウムとシリカゲルとを分解した。この分解脱水した原料をモールド成型し、黒鉛発熱の電気炉を用いて、窒素雰囲気中で 1600°Cまで 1時間かけて昇温し、その温度に 2時間保持して焼結を完了した。

[0046] 得られた複合材料のカーボンナノチューブの混合割合に対する、力さ密度、曲げ強度、靭性、摩擦係数、電気抵抗の値を、表 2および表 3に示した。表 2の複合材料は、 SWNTとムライト固溶体とからなつており、表 3の複合材料は MWNTとムライト固溶体とにシリカが共存する複合材料である。表 2では、比較のために 3A1 0 -2SiO組成

2 3 2 のムライト固溶体を同じ条件で合成したものも示している。一般的にムライト系セラミツタスは、アルミナ系セラミックスに比べて力さ密度が小さぐそれに比例して強度が小さいのが特徴である。表 2は、ムライト固溶体に SWNTをカ卩えてナノ複合体を生成させることで、強度および靭性を大きく出来ることを示している。摩擦係数および電気抵抗は、 SWNTを少量添加することで急激に低下し、その添加効果の大きいことが分かる

[0047] 表 3は、ムライトとシリカとが共存するアルミナシリカ系セラミックスへの MWNTの添加効果を見たものである。ここでは、ムライト組成よりシリカが多くなつている力シリカは結晶化せずに、ムライトのナノ結晶と一緒にナノ複合体の一部を形成している。ナノ複合体を形成しないシリカも存在するが、熱膨張係数がカーボンナノチューブのそれに近いために、 MWNTとの間の熱膨張の差による残量応力が小さぐそれによる強度および靭性の劣化がなぐ MWNTの引抜の効果によって靭性と強度とが大きくなつている。これら複合材料の電磁波吸収に関し、電子レンジを用い、電磁波吸収による発熱状態を調べて表 2、 3に示した。 X印は発熱しないことを示し、〇印は少し発熱することを意味し、〇二つは発熱量が多いことを示している。カーボンナノチューブを含まな、焼結体は発熱しな、。複合材料でも 0.5wt%および 1 ％のカーボンナノチューブの添加では発熱しないが、 2wt%の添加でわずかに発熱し、それ以上の添加では発熱量の大き、ことが分力つた。

[表 2]

無加圧焼結によって得られたアルミナ一シリカ系セラミックス（ムライト）複合材料

実施例 3

多層カーボンナノチューブ (MWNT)と水酸化アルミニウムとシリカゲルとを、表 4に示す A1 0および SiO相当量になるように秤量した。これらの原料をエタノールと混合し

2 3 2

てスラリーを作り、そこへ分散剤としてエタノールの約 2vol%になるようにブチルヒドロキシトルエンを添加し、自転'公転スーパーミキサーを使って 1時間混合した。この混合原料を乾燥後、ホットプレートで空気中において 200°Cに加熱し、さらに雰囲気炉を使い窒素ガスを流しながら、 500°Cまで 2時間で昇温し、その温度に 60分間保持して原料の水酸ィ匕アルミニウムとシリカゲルとを分解した。この原料を黒鉛型に詰め、ホットプレス機を用い、アルゴンガス中で 20MPaの加圧下において、 800〜1350°Cの温度まで昇温し、この到達温度に 3時間保持して複合材料を合成した。

[0051] 得られた複合材料の MWNTの混合割合に対する、カゝさ密度、曲げ強度、靭性、摩擦係数、電気抵抗の変化を表 4に示した。表 4に示すように、強度と靭性との大きな緻密な複合材料の製造が可能である。比較のために、アルミナを含まないシリカのみ力なる複合材料の結果も図 4に示す。この複合材料の曲げ強度は、他に比べて小さぐ実用材料として使うのは困難である。得られた複合材料の電磁波吸収を、電子レンジを使って調べ、発熱の状態を表 4に示した。すべての複合材料は、多くの量のカーボンナノチューブを含むために、

、る。

[0052] [表 4]

ホットプレス焼結によって得られたアルミナ一シリカ系セラミックス複合材料

実施例 4

[0053] 多層カーボンナノチューブ (MWNT)を使い、これと水酸化アルミニウムとシリカゲルとを、表 5に示す A1 203および SiO 2相当量になるように秤量した。これらの原料を水と混合してスラリーを作り、そこへ分散剤として水の約 2.5vol%になるようにプロピレングリコールを添加し、自転'公転スーパーミキサーを使って 1.5時間混合した。この混合原料を乾燥後、 210°Cに空気中において加熱し、さらに雰囲気炉を使い窒素ガスを流しながら、 150°Cまで 1時間かけて昇温し、それから 650°Cまでを 1時間で昇温し、その温度に 5分間保持して原料の水酸ィ匕アルミニウムとシリカゲルとを分解した。この脱水した原料を黒鉛型に詰め、放電プラズマ焼結機 (SPS)にセットし、真空中で 20MPaの加圧下で、 1400°Cまで 1時間で昇温し、その温度に 10分間保持して複合材料を得た。

[0054] 得られた複合材料の MWNTの混合割合に対する、カゝさ密度、曲げ強度、靭性、摩擦係数、電気抵抗の変化を表 5に示した。表 5の複合材料は、 MWNTとムライト固溶体とシリカとが共存する組成である。表 5に示すように、 MWNTを 50wt%以上添加しても、 SPSを使うことで緻密な複合材料の合成が可能である。電気抵抗は、 MWNTの添加が 85wt%になると、炭素のそれに近くなり、摩擦係数の低下も著しい。表 5には、比較のために、 MWNTのみ力得た固化体に関する結果も示した。固化体の機械的性能は、複合材料に比べて悪ぐアルミナシリカ系セラミックスとの複合効果の大きいことが分かる。表 5に示すように、電子レンジを使い、電磁波吸収を調べた結果は、力一ボンナノチューブの含有量が多、ために大きな発熱を示し、カーボンナノチューブのみの固化体も電磁波を吸収し発熱する。

[0055] [表 5]

放電プラズマ焼結によって得られたアルミナ一シリカ系セラミックス

産業上の利用可能性

[0056] 以上、詳細に説明したように、本発明に係るカーボンナノチューブとアルミナーシリ力系セラミックスとを含む高機能複合材料は、従来のアルミナ—シリカ系セラミックスの靭性を改善しており、かつ強度も改善されている。耐摩耗性能が大きく改善された摩擦係数を示し、電気抵抗は、カーボンナノチューブの添加量に対して小さくなり、アルミナシリカ系セラミックスの量が少なヽ複合材料では黒鉛材料に近、電気抵抗となっている。さらに電磁波吸収特性に優れて!/、ることが判明して！/、る。 [0057] この本発明に係る高機能複合材料は、従来のアルミナ—シリカ系セラミックスが使われて、た分野で、さらにはカーボンナノチューブの特性を利用した新分野での利用が可能である。すなわち、コンデンサー型二次電池、電子ビーム描画装置用部材、 IC製造用部材、フエルール、包丁などの各種切断刃、人工骨、人工関節、粉砕機装置用部材 (ボール、粉砕機パーツ、内張材等)、成型機械用部材 (ノズル、シリンダ一、成型用型)、加工機用部材 (シャフト、軸受け、ポンプ等)、工具用部材 (切削バイト、スナップゲージ、軸受け、定盤、ボールベアリング、溶接冶具等）、摺動部品 (メカ二カルシール、チルティングパット、伸線機用ロール、プーリー、糸道、釣具、磁器へッドスライダー、抄紙機用滑板等)、化学装置用部材 (バブル、ストッパー、流量計、噴射ノズル、攪拌機、シャフト等)、その他一般的な機械用部材としてシャフト、ノズル、スプレイノズル、軸受け、メカ-カルシールに有用である。

[0058] 本発明に係る高機能複合材料の電子材料としては、カーボンナノチューブの構造の一つであるキラル型の持つ機能を反映し、 300MHz〜300GHz帯のマイクロ波やミリ波の電磁波吸収体、電磁波反射体、カプラー、変調機、電磁波スィッチ、アンテナ、マイクロメカ-カル素子、マイクロセンサー、エネルギー変換素子、レーダー保護用ドーム、ノイズ吸収体、電磁波吸収発熱体に応用することができる。

図面の簡単な説明

[0059] [図 1]本発明の実施の形態の高機能複合材料のアルミナシリカ系ナノ複合体を示す模式図である。

符号の説明

[0060] 1 ナノ複合体

2 カーボンナノチューブ

3 アルミナシリカ系セラミックス

Claims

請求の範囲

[1] カーボンナノチューブ 0.1〜90mass%とアルミナシリカ系セラミックス 99.9〜10mass% とを含む焼結体から成り、

前記アルミナシリカ系セラミックスはアルミナ 99.5〜5mass%とシリカ 0.5〜95mass%とを含み、

前記カーボンナノチューブと前記アルミナシリカ系セラミックスのナノ結晶とが互 Vヽに絡み合ったナノ複合体を構成要素として有して、ることを、

特徴とする高機能複合材料。

[2] 摩擦係数が 0.07〜0.30、電気抵抗が 10— ²〜10⁷ Ω ' cmであることを、特徴とする請求項 1記載の高機能複合材料。

[3] カーボンナノチューブ、および、アルミナ相当量で 99.5〜5mass%の水酸化アルミ- ゥム (Al(OH) )とシリカ相当量で 0.5〜95mass%のシリカゲル (SiO .nH O)とを含むアルミ

3 2 2

ナーシリカ系セラミックス原料を、前記カーボンナノチューブ 0.1〜90mass%、前記アルミナシリカ系セラミックス原料 99.9〜10mass%の割合で水あるいはアルコール類の溶媒に入れ、スラリー状にして 3〜180分間混合し、この混合原料力前記溶媒を除去した後、非酸ィヒ性雰囲気中において 800°C〜1800°Cの温度範囲で 5分から 5時間かけて焼結することを、特徴とする高機能複合材料の製造方法。

[4] 前記焼結を行うための前処理として、前記混合原料から前記溶媒を除去した後、非酸化性雰囲気中おいて 200°C〜900°Cの温度範囲で 5〜60分間仮焼して分解脱水することを、特徴とする請求項 3記載の高機能複合材料の製造方法。