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JP3837104B2 - カーボンナノ材と金属材料の複合成形方法及び複合金属製品 - Google Patents

カーボンナノ材と金属材料の複合成形方法及び複合金属製品 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、カーボンナノ材と金属材料とを射出成形により複合化する成形方法と複合金属製品に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
結晶性カーボン材の一種であるカーボンナノ材は、熱伝導率がアルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）等の金属の約５倍と高く、導電性も良好で、摩擦係数も低いことから摺動性にも優れるなどの特性を有する。しかし、カーボンナノ材は極めて微細なものであることから、その利用には他物質との複合化がよいとされている。
【０００３】
これまでに知られている複合化は、金属粉末と混合して加圧微細化し、金属粉末の粒子径が５μｍ〜１ｎｍの複合材粒子となすというものであり、その複合材粒子を加熱圧縮して複合材にホットプレス成形するというものである。このような複合手段では、ホットプレス成形により製造される複合金属製品にも限りがあるので、プレス成形では困難な電子機器の放熱部品やシールド部品、軸受などの金属製品を結晶性カーボン材との複合金属製品とするまでには至らない、という課題を有する。
【０００４】
この発明は、上記従来の課題を解決するために考えられたものであって、その目的は、カーボンナノ材と金属材料との複合化を射出成形により可能となして、製品サイズや形態の制限を受けることなく、カーボンナノ材の特性を金属製品に付与し、電子機器の部品として要求される高熱伝導率、良導電性、摺動性などの機能の向上を図ることができる新たな複合成形方法と複合金属製品とを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明は、カーボンナノ材とマグネシウム（Ｍｇ）、錫（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）の１種又は２種以上の合金による金属材料とを粉体の状態で混合し、その混合材料をホットプレスにより板状の固形材料に加熱圧縮成形したのち、チップ又はペレットの粒体に形成し、その混合粒体を射出装置により溶融・混練して金型に射出充填し、該金型によりカーボンナノ材と金属材料とによる複合金属製品に成形するというものであり、上記混合粒体の溶融・混合及び金型への射出充填は、インラインスクリュ式射出装置又はプリプラ式射出装置により行うというものである。また複合金属製品は上記成形法により成形されてなるというものである。
【０００６】
上記構成によれば、カーボンナノ材と金属材料とを混合粒体に成形し、これを成形材料とすることから、複合成形に際する材料供給が容易となり、またスクリュによる溶融混練も短時間で効率よく行えるので、均質な複合製品を成形することができる。また複合金属製品は射出成形によって完成されるので成形精度が高いものとなり、製品形態及び製品サイズもプレス成形と異なって制限を受けないので、高熱伝導率、良導電性、低摩擦係数などの機能を有する製品を容易に成形することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
先ず、カーボンナノチューブなどとして知られているカーボンナノ材１の粉体と、マグネシウム（Ｍｇ）、錫（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）の１種又は２種以上の合金による金属材料２の粉体を、混合装置３に投入して攪拌混合する。この混合は不活性ガス雰囲気中で行うのが好ましい。市販のものとしては、直径１０ｎｍ（０．０１μｍ）、長さ１〜１０μｍのカーボンナノチューブがある。
【０００８】
次に、その混合材料４をホットプレス装置５に移し、加熱圧縮により板状の固形材料６に成形したのち、固形材料６をペレット又はチップ等の混合粒体７に成形し、この混合粒体７を成形材料として、射出装置８と製品の金型９とを備えた射出成形機に供給する。
【０００９】
上記射出装置８は、先端にノズル８１を有する加熱筒８２の内部に、逆止弁付きの射出スクリュ８３を回転かつ進退自在に備える。また加熱筒８２の後部上に穿設した供給口の上に、ホッパー８４が取り付けてある。このホッパー８４から加熱筒８２に供給された混合粒体７はスクリュ回転により溶融・混練されてスクリュ先端へと圧送され、内圧によるスクリュ後退により加熱筒８２の先端部内に溶融状態で計量（蓄積）されたのち、スクリュ前進により溶融材料として上記製品金型９に射出充填される。なお加熱筒８２の内部空間は、酸化防止のために不活性ガス雰囲気としておくのが好ましい。
【００１０】
上記金型９は、図示しない型締装置の固定盤９１と可動盤９２とに取り付けた開閉自在な一対の分割型９３からなり、その内部に二組の製品形態を形成するキャビティ９４と、両キャビティ９４の中央に位置して上記ノズル８１が当接されたスプル９５とを有する。このノズル８１から射出充填された溶融材料は、スプル９５から両キャビティ９４に充填されて、カーボンナノ材１と金属材料２とが均一に複合化した複合金属製品１０となる。
【００１１】
上記実施形態では、インラインスクリュ式射出装置８を採用して、射出スクリュ８３により混合粒体７の溶融・混練と金型９への射出充填を行っているが、樹脂の成形に用いられているプリプラ式射出装置を採用して効率よく行うことができる。
【００１２】
図２に示すように、通常構造のプリプラ式射出装置は、溶融・混練シリンダ１１内に溶融・混練スクリュ１２を内装し、シリンダ後部上にホッパー１３を備えた溶融・混練装置１４と、射出シリンダ１５内に射出プランジャ１６を進退自在に内装した射出装置１７とを並設し、その両方を先端部にわたり設けた開閉バルブ１９を備える流通路１８により互いに連通した構造からなる。
【００１３】
したがって成形工程としては、溶融・混練装置１４により混合粒体の溶融・混練を行い、それを射出シリンダ１５の前部内に圧送して計量し、計量後に流通路１８の開閉バルブ１９を閉じて、射出装置１７では射出プランジャ１６の前進によるノズル２０から金型９への射出充填を行う。溶融・混練装置１４では射出充填中に、供給された混合粒体７の溶融・混練が開始される。このようなことから溶融・混練と射出の両方を行うインラインスクリュ式射出装置よりも、カーボンナノ材１と金属材料２とが均一に複合化した上記複合金属製品１０の成形が効率よく行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係わるカーボンナノ材と低融点金属との複合金属製品の成形方法の工程図である。
【図２】 この発明の成形方法に用いられるプリプラ式射出装置の略示断面図である。
【符号の説明】
１ カーボンナノ材
２ 樹脂のバインダー
３ 混合装置
４ 混合材料
５ ホットプレス装置
６ 固形材料
７ 粒状材料
８ 射出装置
９ 製品金型
１０ 複合金属製品
１４ 溶融・混練装置
１７ 射出装置

Claims (3)

  1. カーボンナノ材とマグネシウム（Ｍｇ）、錫（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）の１種又は２種以上の合金による金属材料とを粉体の状態で混合し、その混合材料をホットプレスにより板状の固形材料に加熱圧縮成形したのち、チップ又はペレットの粒体に形成し、その混合粒体を射出装置により溶融・混練して金型に射出充填し、該金型によりカーボンナノ材と金属材料とによる複合金属製品に成形することを特徴とするカーボンナノ材と金属材料の複合成形方法。
  2. 上記混合粒体の溶融・混合及び金型への射出充填は、インラインスクリュ式射出装置又はプリプラ式射出装置により行うことを特徴とする請求項１記載のカーボンナノ材と金属材料の複合成形方法。
  3. 上記請求項１又は２の何れかに記載の成形方法により成形された金属製品からなることを特徴とするカーボンナノ材と金属材料の複合金属製品。
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