[发明专利]复合金属材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及将在表面附着了从纳米大小至微米大小的微小碳系物质的复合金属粉末粒子的集合体烧结固化而得到的复合金属材料及其制造方法。

背景技术

碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维、富勒烯和炭黑这样的微小碳系物质不仅具有质轻、强度高和刚性高的特性，还具有优异的导电性和导热性，因此期待能通过在金属中均一分散来显著提高金属材料的物理特性。

以往，作为以镁为代表的金属的高强度化的方法，考虑例如在金属中分散碳纳米材料的方法。

例如，日本特开2007-154246号公报(专利文献1)公开了如下技术：在镁或铝等金属粉末粒子表面，用机械合金化方法使碳纳米材料附着，制作复合粉末，然后使该复合粉末聚集而成形固化。

日本特开2005-200723号公报(专利文献2)公开了如下技术：向在聚乙烯醇水溶液中加入硼砂而形成的凝胶状的分散液中，分散碳纳米纤维，再在其中添加金属粉末进行混炼，然后干燥得到碳纳米纤维金属类粉末。

但是，从纳米大小至微米大小的微小碳系物质会因碳原子间的范德华力而迅速凝集，因此采用上述方法无法使微小碳系物质在金属粉末粒子的表面均一分散，很难最终显著提高金属材料的特性。

本发明的发明者之一古月(FUGETSU)在WO2005/10594A1(专利文献3)中公开了如下内容：利用具有亲水性和疏水性的表面活性剂的两亲性(amphiphilic)，成功地使碳纳米管在溶液中单质分散。

本发明的另一发明者近藤(KONDOH)考虑是否能利用上述古月的技术使碳纳米管在金属材料中均一分散而显著提高金属材料的特性。因此，近藤和古月共同研究，使用上述古月的技术使碳纳米管均匀附着于金属粉末粒子的表面，然后利用复合金属粉末粒子间的固相反应使碳纳米管在金属或合金中均一分散，制作CNT均一分散型合金。

最初认为只要将金属粉末粒子浸渍于古月制作的CNT分散液中使CNT附着于金属粉末表面即可提高最终得到的金属材料的强度，但强度并未提高。

作为其原因之一，可认为是因为：由于CNT过量附着于金属粉末，从而使金属粉末粒子表面完全被CNT被覆，阻碍金属粉末粒子间的固相反应。

作为另一原因，可认为是因为：利用分散液的成分(以下称为“粘合剂”)使CNT附着于金属粉末表面，但在将金属粉末加热进行结合·固化时，该粘合剂成分的存在最终导致金属材料的强度下降。若不完全除去粘合剂，则会阻碍金属粉末粒子间的冶金结合(烧结)。此外，当在粉末表面残留粘合剂的状态下将金属粉末粒子之间结合·固化时，粘合剂热分解而产生气体，该气体在已固化的金属材料的内部以气泡(起泡)的形式存在，因而导致材料的强度下降。

为了提高最终金属材料的特性，优选在使金属粉末表面局部露出的状态下在金属粉末表面分散附着CNT。或者，优选使具有作为将CNT附着于金属粉末粒子表面的胶粘剂的作用的粘合剂的残留量为最小。而且，还必须找出使该粘合剂热分解的条件。

发明内容

本发明的目的在于提供分散了CNT等微小碳系物质的高强度复合金属材料及其制造方法。

本发明的复合金属材料是将金属粉末粒子的集合体烧结固化了的材料。金属粉末粒子在将其表面局部地露出的状态下被从纳米大小至微米大小的以单分散状态分布的微小碳系物质所覆盖。并在上述露出部分进行金属粉末粒子间的扩散和烧结。

这里，“从纳米大小至微米大小”是指例如直径为10^-6～10^-9m的等级、长度为10^-4～10^-9m(优选10^-6～10^-9m)等级的物质。作为这些微小碳系物质，可以列举碳纳米管、碳纳米纤维、富勒烯或炭黑。“单分散状态”是指微小碳系物质以单独的状态分散，还包括呈网状分散的状态。

在特开2007-154246号公报或特开2005-200723号公报中公开的方法中，由于没有避免微小碳系物质的凝集，因此无法使微小碳系物质以单分散状态附着于金属粒子表面。与此相对，根据本发明的优选实施方式，在含有具有亲水性和疏水性的表面活性剂的溶液中使微小碳系物质以单分散状态分散，使该溶液与金属粉末粒子的表面接触，因此微小碳系物质不会凝集，而是以单分散状态附着于金属粒子表面。此时，微小碳系物质通过具有亲水性和疏水性的表面活性剂的溶液成分附着于金属粉末粒子的表面。另外，关于含有具有亲水性和疏水性的表面活性剂的溶液，在WO2005/110594A1中有详细记载。