JP2019070186A - Carbon metal composite molding and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】 例えば航空機や自動車の電子部品、構造材料等として用いた場合に好適な、優れた強度を発揮できる材料を提供する。【解決手段】 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。本発明の炭素金属複合成形体中の金属粒子は、平均アスペクト比が2以上であることが好ましい。【選択図】図10PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a material capable of exhibiting excellent strength, which is suitable for use as, for example, an electronic component of an aircraft or an automobile, a structural material, or the like. SOLUTION: The carbon-metal composite molded body of a flaky carbon material having a graphene skeleton and metal particles has a relative density of 90% or more and contains 25% by volume or less of carbon. Characterized carbon metal composite molded body. The metal particles in the carbon-metal composite molded body of the present invention preferably have an average aspect ratio of 2 or more. [Selection diagram] FIG. 10
Description
本発明は、炭素金属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、構造材料等に好適に用いることができる炭素金属複合成形体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon metal composite molded body and a method for producing the same. More particularly, the present invention relates to a carbon-metal composite molded article that can be suitably used for electronic components of aircrafts and automobiles, structural materials, and the like, and a method of manufacturing the same.
炭素材料は、軽量であるとともに高強度、高熱伝導性、高電気伝導性等の優れた特性を有し、他の材料との複合材として注目されている。例えば、炭素材料を金属(例えば、航空機や自動車の電子部品、構造材料等に使用されるAl、Mg、Ti等の軽金属等)と複合化させた炭素金属複合成形体が、軽量且つ優れた強度や優れた熱・電気伝導率、電流容量を有するものとして期待されている。
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 high strength, high thermal conductivity, high electrical conductivity, etc., and are attracting attention as composite materials with other materials. For example, a carbon-metal composite molded body in which a carbon material is complexed with a metal (for example, a light metal such as Al, Mg, Ti, etc. used for electronic parts of aircrafts and automobiles, structural materials, etc.) is lightweight and excellent strength It is expected to have excellent thermal and electrical conductivity and current capacity.
As carbon materials, those having a graphene skeleton have been extensively studied because of their unique structures and physical properties.
従来の炭素金属複合成形体としては、グラフェン骨格を有する炭素材料を軽金属やその他の金属に複合化したものとして、ベース金属とグラフェンとを含むグラフェン/金属ナノ複合粉末の焼結体(例えば、特許文献1参照。)が開示されている。また、正方晶ZrO2セラミックス等の保護マトリックス材料内部に数層のグラフェン酸化物ナノシートを三次元網目構造として埋め込む工程等を含む熱電ナノ複合材料の製造方法(例えば、特許文献2参照。)が開示されている。更に、金属及び/又はセラミックスからなるパルス通電加圧焼結体からなる基材中に、グラフェンチューブを有する繊維状炭素材料が複数の層をなして存在する高熱伝導複合材料(例えば、特許文献3、4参照。)、金属及び/又はその酸化物と酸化グラフェンとのナノ複合体(例えば、特許文献5参照。)が開示されている。 As a conventional carbon metal composite molded body, a sintered body of graphene / metal nanocomposite powder containing a base metal and graphene as a composite of a carbon material having a graphene skeleton with a light metal or another metal (for example, a patent Reference 1) is disclosed. In addition, a method for producing a thermoelectric nanocomposite (see, for example, Patent Document 2) including the step of embedding several layers of graphene oxide nanosheets as a three-dimensional network structure inside a protective matrix material such as tetragonal ZrO 2 ceramics is disclosed. It is done. Furthermore, a high thermal conductivity composite material in which a fibrous carbon material having a graphene tube is present in a plurality of layers in a base material made of a metal and / or ceramic pulse electric current and pressure sintered body (for example, Patent Document 3) 4), a nanocomplex of a metal and / or an oxide thereof and graphene oxide (see, for example, Patent Document 5).
また例えば、FLG(数層のグラフェン:a Few layers of graphene)/Al又はAl合金コンポジット材料を、ボールミル法により作製したもの(例えば、非特許文献1、2参照。)、粉末治金法により作製したもの(例えば、非特許文献3、4参照。)が開示されている。更に、還元型酸化黒鉛/Alコンポジット材料を、複合粉末集積法(composite powder assembly process)により作製したもの(例えば、非特許文献5参照。)が開示されている。 For example, FLG (several layers of graphene: a Few layers of graphene) / Al or Al alloy composite material prepared by a ball mill method (see, for example, non-patent documents 1 and 2), powder metallurgy method (See, for example, Non-Patent Documents 3 and 4). Furthermore, a reduced graphite oxide / Al composite material is prepared by a composite powder assembly process (see, for example, Non-Patent Document 5).
グラフェン骨格を有する炭素材料を軽金属等に複合化した炭素金属複合成形体として上述したものが知られているが、グラフェン骨格を有する炭素材料の優れた特性を充分に発揮するうえで更なる工夫の余地があった。
なお、特許文献2に記載の材料はセラミックスであるため、金属に用いられる加工方法を充分に適用できるものではなかった。また、非特許文献1、2に記載のボールミル法には、炭素材料がボールによりダメ―ジを受けてしまうという問題があった。
Although the thing mentioned above as a carbon metal composite molded object which compounded the carbon material which has a graphene frame to light metal etc. is known, in order to fully exhibit the outstanding characteristic of the carbon material which has a graphene frame, it is a device There was room.
In addition, since the material of patent document 2 is ceramics, it was not able to fully apply the processing method used for metal. In addition, the ball mill method described in Non-Patent Documents 1 and 2 has a problem that the carbon material is damaged by balls.
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、構造材料等として用いた場合に好適な、優れた強度を発揮できる成形体を提供することを目的とする。 This invention is made in view of the said present condition, for example, when it is used as an electronic component of aircraft and a motor vehicle, a structural material, etc., it aims at providing the forming object which can exhibit the outstanding intensity suitable. .
本発明者らは、航空機や自動車の電子部品、構造材料等として用いた場合に優れた強度を発揮できる成形体について種々検討し、軽量の炭素材料と金属粒子とを複合化させた炭素金属複合成形体に着目し、特定割合以下の薄片状炭素材料を複合化した緻密な炭素金属複合成形体を形成した。更に、本発明者らは、この炭素金属複合成形体が、薄片状炭素材料が金属粒子間の粒界に沿って三次元的に配列していて等方的に強度に優れるとともに、金属由来の塑性変形能を充分に保持しており、圧力を加えることで好適に変形させることができ、これにより変形後の成形体中の金属粒子は平均アスペクト比が高いものとなり、特定の方向の強度に非常に優れるものとなることを見出し、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 present inventors have variously studied molded articles capable of exhibiting excellent strength when used as electronic parts for aircrafts and automobiles, structural materials, etc., and a carbon metal composite in which a lightweight carbon material and metal particles are compounded. Focusing on the molded body, a compact carbon metal composite molded body was formed in which a flaky carbon material having a specific ratio or less was compounded. Furthermore, the present inventors found that this carbon metal composite molded body is excellent in strength isotropically in which the flaky carbon material is three-dimensionally arranged along the grain boundaries between the metal particles, and is derived from metal. The plastic deformation ability is sufficiently maintained, and can be suitably deformed by applying pressure, whereby the metal particles in the compact after deformation become high in average aspect ratio, and strength in a specific direction is obtained. The present invention has been made in view of the finding that it will be a very excellent one, and in light of the fact that the above problems can be solved wonderfully.
すなわち本発明は、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である。 That is, the present invention is a carbon metal composite molded article of a flaky carbon material having a graphene skeleton and metal particles, wherein the molded article has a relative density of 90% or more and contains 25% by volume or less of carbon. A carbon metal composite molded body characterized by
本発明の炭素金属複合成形体中の金属粒子は、平均アスペクト比が2以上であることが好ましい。 The metal particles in the carbon metal composite molded article of the present invention preferably have an average aspect ratio of 2 or more.
本発明の炭素金属複合成形体は、グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料と金属とが特定割合以下で複合化された緻密体であることにより強度に優れ、中でも成形体中の金属粒子が高アスペクト比を有するものは、特定方向の強度に非常に優れる。 The carbon metal composite molded body of the present invention is excellent in strength because it is a dense body in which a flaky carbon material having a graphene skeleton and a metal are complexed at a specific ratio or less, and in particular, the metal particles in the molded body have a high aspect ratio. Those having a ratio are very excellent in strength in a specific direction.
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, what combined two or more of each preferable form of this invention described below is also a preferable form of this invention.
<炭素金属複合成形体>
本発明の炭素金属複合成形体は、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。)と金属粒子との炭素金属複合成形体であって、相対密度が90%以上であり、炭素を25体積%以下含有する。本発明の炭素金属複合成形体は、特定割合以下の炭素材料が金属粒子に複合化した緻密体であり、例えば炭素材料と金属粒子とを焼結することにより得られるペレット状のもの等の成形体や、これに圧力を加えて変形させたもの等が挙げられる。焼結により得られるペレット状等の成形体は、炭素材料が金属粒子間の粒界に沿って三次元的に配列していて等方的に強度に優れるとともに、金属特有の塑性を有し、塑性変形を好適に行うことができ、これに圧力を加えて変形させること等により、特定の方向の強度に非常に優れる成形体を形成することができる。
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。
<Carbon-metal composite molded body>
The carbon metal composite molded body of the present invention is a carbon metal composite molded body of a flaky carbon material having a graphene skeleton (hereinafter, also simply referred to as a carbon material) and metal particles, and has a relative density of 90% or more And 25% by volume or less of carbon. The carbon-metal composite molded body according to the present invention is a dense body in which a carbon material at a specific ratio or less is complexed to metal particles, and for example, it is molded such as pellets obtained by sintering a carbon material and metal particles. The body, or the one that is deformed by applying pressure to it may be mentioned. A pellet-like compact or the like obtained by sintering has a carbon material arranged three-dimensionally along the grain boundaries between metal particles, and is isotropically excellent in strength, and has plasticity peculiar to metal, A plastic deformation can be suitably performed, and by applying pressure to this to deform it, etc., it is possible to form a molded body which is extremely excellent in strength in a specific direction.
The shape and size of the molded product are not particularly limited, and examples thereof include films, sheets, fibers, columns, cubes, and spheres, as well as pellets.
本発明の炭素金属複合成形体は、相対密度が92%以上であることが好ましく、94%以上であることがより好ましく、96%以上であることが更に好ましく、99%以上であることが特に好ましい。これにより、本発明の炭素金属複合成形体の強度をより優れたものとすることができる。
上記相対密度の上限値は、特に限定されず、100%であってもよい。
上記相対密度は、アルキメデス法により測定することができる。
The carbon-metal composite molded article according to the present invention preferably has a relative density of 92% or more, more preferably 94% or more, still more preferably 96% or more, particularly preferably 99% or more preferable. Thereby, the strength of the carbon metal composite molded body of the present invention can be made more excellent.
The upper limit of the relative density is not particularly limited, and may be 100%.
The relative density can be measured by the Archimedes method.
本発明の炭素金属複合成形体は、炭素を10体積%以下含有することが好ましく、5体積%以下含有することがより好ましく、3体積%以下含有することが更に好ましく、2体積%以下含有することが一層好ましく、1体積%以下含有することがより一層好ましく、0.8体積%以下含有することが特に好ましい。これにより、本発明の炭素金属複合成形体は、炭素材料の凝集がより充分に防止されたものとなり、少ない炭素含有量にも関わらず本発明の効果を顕著に発揮できる。 The carbon-metal composite molded body of the present invention preferably contains 10 vol% or less of carbon, more preferably 5 vol% or less, still more preferably 3 vol% or less, and 2 vol% or less The content is more preferably 1% by volume or less, and particularly preferably 0.8% by volume or less. Thereby, in the carbon metal composite molded body of the present invention, the aggregation of the carbon material is more sufficiently prevented, and the effect of the present invention can be remarkably exhibited despite the small carbon content.
本発明の炭素金属複合成形体は、炭素による充分な強度を発揮する観点からは、炭素含有量が0.01体積%以上であることが好ましく、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く、0.3体積%以上であることが特に好ましい。
上記炭素含有量は、実施例の方法により測定することができる。
From the viewpoint of exhibiting sufficient strength by carbon, the carbon metal composite molded body of the present invention preferably has a carbon content of 0.01% by volume or more, and more preferably 0.1% by volume or more More preferably, it is 0.2% by volume or more, and particularly preferably 0.3% by volume or more.
The carbon content can be measured by the method of the example.
本発明の炭素金属複合成形体は、例えば、後述するパルス通電加圧焼結(PCPS)後の、酸化グラフェン(GO)/アルミニウム(Al)複合成形体を例にとれば、(1)GOがAl粒子間の粒界に分散する等して存在し、(2)しかも粒界にはAl2O3層が存在し、GOはそのAl2O3層間に分散している。なお、金属粒子の金属として、粒子表面が容易に酸化されるようなAl、Mg、Ti等の金属を用い、PCPSを行えば好適に同様の形態となると考えられる。
すなわち、本発明の炭素金属複合成形体が、金属層、金属酸化物層、炭素材料層、金属酸化物層、金属層がこの順に積層された積層構造を有することは、本発明における好適な形態の1つである。
なお、上記積層構造において、層間に更に別の層が挿入されていてもよいが、層間が直接接していることが好ましい。
この形態は、実施例に示すTEM観察により確認することができる。
The carbon metal composite molded body of the present invention is, for example, (1) GO as a graphene oxide (GO) / aluminum (Al) composite molded body after pulse current pressure sintering (PCPS) described later. (2) Furthermore, an Al 2 O 3 layer is present at the grain boundaries, and GO is dispersed among the Al 2 O 3 layers. In addition, it is thought that it will become a suitable form suitably, if metals, such as Al, Mg, and Ti with which the particle | grain surface is oxidized easily, are used as a metal of a metal particle, and PCPS is performed.
That is, it is preferable that the carbon metal composite molded body of the present invention has a laminated structure in which a metal layer, a metal oxide layer, a carbon material layer, a metal oxide layer, and a metal layer are laminated in this order. It is one of the
In the above laminated structure, another layer may be inserted between the layers, but it is preferable that the layers be in direct contact with each other.
This form can be confirmed by TEM observation shown in the examples.
(グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料)
上記グラフェン骨格を有する薄片状炭素材料は、sp2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、sp2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 with graphene skeleton)
The flaky carbon material having a graphene skeleton is not particularly limited as long as it has carbon (C) bonded by sp 2 bond and has a layered structure in which the carbon is flaky (planar). Specifically, the carbon material may have a structure consisting of only a layer (single layer) in which carbon atoms bonded by sp 2 bonds are arranged in a plane, and two or more layers of the layers are stacked. It may have a structure. The carbon material preferably has, for example, a single-layer structure composed of only one layer, or a stacked structure of about 2 to 100 layers.
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である。
なお、一般的にグラフェンとは、sp2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。
It is preferable that the said carbon material is what has carbon combined with oxygen (O). For example, the carbon material is more preferably graphite oxide. More preferably, it is graphene oxide in which oxygen is bonded to carbon of graphene.
Generally, graphene refers to a sheet consisting of one layer in which carbon atoms bonded by sp 2 bonds are arranged in a plane, and a stack of a large number of graphene sheets is referred to as graphite. Not only the sheet | seat which consists of one layer but the thing which has a structure which laminated | stacked about 2-100 layers is also contained.
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されて還元され、本発明の炭素金属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。
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。
The carbon material is, for example, preferably heated and reduced at the time of compounding to form a reduced graphite oxide in the carbon metal composite molded body of the present invention.
The carbon material may further have functional groups such as a carboxyl group, a hydroxyl group, a sulfur-containing group, and 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、本明細書中、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。
なお、このようなsp2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、後述する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-mentioned carbon materials, those having a laminated structure of about 2 to 50 layers are preferable, those having a laminated structure of about 2 to 15 layers are more preferable, and those having a laminated structure of about 2 to 9 layers are more preferable. . In the present specification, one having a stacked structure of about 2 to 9 layers is also referred to as FLG (a few layers of graphene). Note that FLG may be several layers of graphene oxide or may be several layers of reduced graphene oxide.
The number of stacked layers of sheets in which carbon atoms bonded by such sp 2 bonds are arranged in a plane is expressed as a peak number of strength against distance in a cross-sectional view of a TEM image described later.
上記炭素材料は、比表面積が1m2/g以上であることが好ましく、10m2/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、金属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2000m2/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 specific surface area of the carbon material is preferably 1 m 2 / g or more, and more preferably 10 m 2 / g or more. A carbon material having such a specific surface area can exhibit higher dispersibility when complexed with metal particles. The upper limit of the specific surface area is not particularly limited, but can be, for example, 2000 m 2 / g or less.
The specific surface area can be measured by a specific surface area measuring device by a nitrogen adsorption BET method.
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. Further, the average particle diameter is preferably 5 nm or more.
The average particle size can be measured by a particle size distribution measuring apparatus.
The particles having an average particle diameter in the range as described above are, for example, a method of pulverizing the particles with a ball mill or the like, dispersing the obtained coarse particles in a dispersing agent to obtain a desired particle diameter, and drying. The coarse particles can be sieved or the like to separate the particle size, and the preparation conditions can be optimized at the stage of producing the particles to obtain particles having a desired particle size.
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 carbon material can be obtained by treating graphite with a known oxidizing agent, for example, treated with potassium permanganate according to the Modified Hummers Method, and if necessary, ultrasonicated in a solvent It can be suitably obtained by performing solid-liquid separation treatment such as treatment or centrifugation.
(金属粒子)
本発明に係る金属粒子としては、金属の単体、合金、化合物(酸化物等)が挙げられるが、金属の単体及び/又は合金であることが好ましい。これにより、結果的に炭素材料を本発明の炭素金属複合成形体中に凝集することなく均一に分散させることができ、得られる成形体の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。本発明に係る金属粒子を構成する金属としては、例えば、アルミニウム、ケイ素、チタン、ニッケル、銅、鉄、ジルコニウム、銀、スズ、これら金属を2種以上用いて構成される合金がより好ましく、中でもアルミニウム、チタン、ニッケル、銅、鉄、銀、スズ、これら金属を2種以上用いて構成される合金が更に好ましい。中でも、アルミニウムが特に好ましい。なお、金属粒子は、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、本発明に係る金属粒子を構成する金属は、結晶性であることが好ましい。
また比強度を優れたものとする観点から、金属は、比重が5以下であることが好ましい。
(Metal particles)
Examples of the metal particles according to the present invention include simple metals, alloys, and compounds (such as oxides), but simple metals and / or alloys are preferable. As a result, the carbon material can be uniformly dispersed in the carbon-metal composite molded article of the present invention without aggregation, and the excellent effect of the strength of the obtained molded article can be made more remarkable. . The metal constituting the metal particle according to the present invention is, for example, more preferably aluminum, silicon, titanium, nickel, copper, iron, zirconium, silver, tin, or an alloy composed of two or more of these metals, among which Aluminum, titanium, nickel, copper, iron, silver, tin, and alloys composed of two or more of these metals are more preferable. Among them, aluminum is particularly preferred. The metal particles may further contain silicon or zirconium as an additive. Moreover, it is preferable that the metal which comprises the metal particle which concerns on this invention is crystalline.
Further, from the viewpoint of making the specific strength excellent, the metal preferably has a specific gravity of 5 or less.
本発明の炭素金属複合成形体中の金属粒子の平均グレインサイズが4μm以上であることが好ましい。これにより、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。該平均グレインサイズは、5μm以上であることがより好ましく、6μm以上であることが更に好ましく、7μm以上であることが特に好ましい。
平均グレインサイズは、その上限値は特に限定されないが、通常50μm以下である。
平均グレインサイズは、実施例の方法によりEBSDで測定することができる。
It is preferable that the average grain size of the metal particles in the carbon metal composite molded body of the present invention is 4 μm or more. Thereby, the effect excellent in strength can be made more remarkable. The average grain size is more preferably 5 μm or more, still more preferably 6 μm or more, and particularly preferably 7 μm or more.
The upper limit of the average grain size is not particularly limited, but is usually 50 μm or less.
Average grain size can be measured by EBSD according to the method of the embodiment.
本発明の炭素金属複合成形体中の金属粒子は、平均アスペクト比が2以上であることが好ましい。このような本発明の炭素金属複合成形体は、炭素材料が特定方向に沿って配列したものであり、該方向の強度に非常に優れる。
このような本発明の炭素金属複合成形体が例えば金属層、金属酸化物層、炭素材料層、金属酸化物層、金属層がこの順に積層された積層構造、金属層、金属酸化物層、炭素材料層、金属層がこの順に積層された積層構造、及び、金属層、炭素材料層、金属層がこの順に積層された積層構造からなる群より選択される少なくとも1種の積層構造を有することは、本発明における好適な形態の1つである。
なお、上記積層構造において、層間に更に別の層が挿入されていてもよいが、層間が直接接していることが好ましい。
この構造は、実施例に示すTEM観察により確認することができる。
なお、金属層と炭素材料層との間に金属酸化物層が存在しない場合、該金属層(金属マトリックス)中に金属酸化物が混合されていてもよく、混合されていなくてもよい。
このような本発明の炭素金属複合成形体は、後述するように、PCPS後のペレット状の成形体に対し、圧力を加えて変形させること等により好適に得ることができる。
The metal particles in the carbon metal composite molded article of the present invention preferably have an average aspect ratio of 2 or more. Such a carbon-metal composite molded article of the present invention is one in which carbon materials are arranged along a specific direction, and the strength in the direction is very excellent.
Such a carbon-metal composite molded article according to the present invention is, for example, a laminated structure in which a metal layer, a metal oxide layer, a carbon material layer, a metal oxide layer, and a metal layer are laminated in this order, a metal layer, a metal oxide layer, carbon Having at least one kind of laminated structure selected from the group consisting of a laminated structure in which a material layer and a metal layer are laminated in this order, and a laminated structure in which a metal layer, a carbon material layer and a metal layer are laminated in this order Is one of the preferred embodiments of the present invention.
In the above laminated structure, another layer may be inserted between the layers, but it is preferable that the layers be in direct contact with each other.
This structure can be confirmed by TEM observation shown in the examples.
When there is no metal oxide layer between the metal layer and the carbon material layer, the metal oxide may be mixed or not mixed in the metal layer (metal matrix).
Such a carbon-metal composite molded article of the present invention can be suitably obtained by applying pressure to the pellet-like molded article after PCPS to deform as described later.
本発明の炭素金属複合成形体における平均アスペクト比は、2.5以上であることがより好ましく、3以上であることが更に好ましい。
また上記平均アスペクト比の上限値は特に限定されないが、通常は10以下である。
上記平均アスペクト比は、縦断図面から算出される粒子の平均径を横断図面から算出される粒子の平均径で割ることによって求めることができる。
The average aspect ratio of the carbon metal composite molded article of the present invention is more preferably 2.5 or more, and still more preferably 3 or more.
The upper limit of the average aspect ratio is not particularly limited, but is usually 10 or less.
The average aspect ratio can be determined by dividing the average diameter of particles calculated from the longitudinal drawing by the average diameter of particles calculated from the transverse drawing.
本発明の炭素金属複合成形体は、上記金属粒子の含有量が75〜99.99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、90〜99.9体積%であり、更に好ましくは、95〜99.8体積%であり、一層好ましくは、97〜99.7体積%である。より一層好ましくは、99体積%以上であり、特に好ましくは、99.4体積%以上である。 In the carbon metal composite molded body of the present invention, the content of the metal particles is preferably 75 to 99.99% by volume. The content of the metal particles is more preferably 90 to 99.9% by volume, still more preferably 95 to 99.8% by volume, and still more preferably 97 to 99.7% by volume. Still more preferably, it is 99% by volume or more, and particularly preferably 99.4% by volume or more.
本発明の炭素金属複合成形体は、炭素材料、金属粒子をそれぞれ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、金属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、5体積%以下であることが好ましく、1体積%以下であることがより好ましく、0.1体積%以下であることが更に好ましく、本発明の炭素金属複合成形体がその他の成分を含有しないことが特に好ましい。 The carbon metal composite molded body of the present invention may be a composite obtained by using one type of carbon material and one type of metal particle, or may be a type combined using two or more types. Moreover, although other components other than the carbon material and the metal particles may be included, the content of the other components is preferably 5% by volume or less, more preferably 1% by volume or less, 0 It is further preferable that the content be 1% by volume or less, and it is particularly preferable that the carbon metal composite molded body of the present invention does not 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、構造材料等として用いられることが好ましい。 The carbon-metal composite molded article of the present invention is applicable to various applications, but from the viewpoint of achieving weight reduction of materials, it is preferably used as, for example, electronic parts for aircraft and automobiles, structural materials, etc. .
<炭素金属複合成形体の製造方法>
本発明の炭素金属複合成形体は、炭素材料と金属粒子とを加熱、加圧等して複合化することで作製することができるが、炭素材料と金属粒子とを焼結して作製することが好ましく、中でも、パルス通電加圧焼結(PCPS)で焼結して作製す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、焼結工程における温度を炭素材料が移動しやすくなるような高温とした場合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。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金属粒子とを用いて炭素金属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金属粒子とをパルス通電加圧焼結で焼結する工程を含む炭素金属複合成形体の製造方法でもある。
<Manufacturing method of carbon metal composite molded body>
The carbon-metal composite molded body of the present invention can be produced by combining a carbon material and metal particles by heating, pressing or the like, but by sintering the carbon material and metal particles. Among them, sintering by pulse current pressure sintering (PCPS) is more preferable. In particular, pulse electric pressure and pressure sintering enables uniform sintering over the entire material, and even if the temperature in the sintering step is high enough to make it easy for the carbon material to move, sufficient aggregation thereof is achieved. A more precise compact can be produced while preventing, and the effect of excellent strength becomes remarkable. For example, the present invention is a method for producing a carbon-metal composite molded body using a flaky carbon material having a graphene skeleton and a metal particle, and the production method includes a flaky carbon material having a graphene skeleton and a metal particle And a step of sintering by pulse current pressure sintering.
上記焼結工程における温度は、200℃以上が好ましい。これにより、得られる成形体をより緻密化することができる。該温度は、より好ましくは350℃以上であり、更に好ましくは500℃以上である。また、炭素材料の凝集を防止する観点からは、該温度は、2000℃以下であることが好ましく、1500℃以下であることがより好ましい。
焼結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。
炭素材料の加熱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。また焼結工程における圧力条件は特に限定されず、加圧条件下、常圧条件下、減圧条件下で行うことができる。
The temperature in the sintering step is preferably 200 ° C. or more. Thereby, the compact obtained can be further densified. The temperature is more preferably 350 ° C. or more, still more preferably 500 ° C. or more. Further, from the viewpoint of preventing aggregation of the carbon material, the temperature is preferably 2000 ° C. or less, and more preferably 1500 ° C. or less.
The time for performing the sintering step is preferably 1 minute to 1 hour. More preferably, it is 2 minutes-30 minutes, More preferably, it is 3 minutes-20 minutes.
The heating of the carbon material may be performed in air, or may be performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium or argon. Moreover, the pressure conditions in a sintering process are not specifically limited, It can carry out under pressure conditions, normal pressure conditions, and pressure reduction conditions.
本発明の製造方法は、焼結工程前に、炭素材料と金属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、炭素材料と金属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、金属粒子が分散した水中に、炭素材料の水分散体を滴下し、得られた炭素材料と金属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、金属粒子が分散した水は、金属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 production method of the present invention preferably further includes the step of mixing the carbon material and the metal particles before the sintering step. Moreover, it is more preferable to obtain the composite powder of a carbon material and metal particles by this mixing process.
The said mixing process can be performed by, for example, dripping the water dispersion of a carbon material in the water which metal particle disperse | distributed, filtering the composite powder of the obtained carbon material and metal particle, and drying. The water in which the metal particles are dispersed is preferably prepared by uniformly mixing the metal particles and the water and performing ultrasonic treatment or the like.
上記混合工程により金属粒子と炭素材料との複合粉末を調製する過程において、金属粒子と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、グラフェンへ与えるダメージ、不純物の混入等を避ける点から、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、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金属粒子が好ましい。このような金属としては、例えばAlがあげられる。 In the process of preparing a composite powder of metal particles and a carbon material by the above mixing process, ball mill mixing, use of a surface modifier, use of electrostatic interaction, etc. are used as a method for bonding metal particles and a carbon material. It can be mentioned. Among them, a method using electrostatic interaction is particularly preferable in terms of avoiding damage to graphene, mixing of impurities, and the like. Since it has an ether group or a carbonyl group and electrostatically interacts with the carbon material negatively charged in water, it is positively charged in water (the point at which the zeta potential in an aqueous solution at 25.degree. Preferred is a metal particle having an oxide coating at a point of pH> 7). Examples of such a metal include Al.
本発明の製造方法は、焼結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、成形体中の金属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 production method of the present invention preferably further includes the step of applying pressure to the molded body obtained in the sintering step to deform it. According to the manufacturing method of the present invention, the metal particles in the molded product have a high aspect ratio, and the molded product can be made extremely excellent in the strength in a specific direction.
In the present specification, the step of applying pressure and deforming is not particularly limited, but is preferably a step of pressing the material and then stretching in at least one direction, for example, stretching the material into a film using a roller A rolling process, an extrusion process using a mold or the like, a process of forming into a film by a flat plate press, an injection molding process, a casting process, etc. may be mentioned.
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/mm2以上であることが好ましく、0.5kN/mm2以上であることがより好ましく、1kN/mm2以上であることが更に好ましい。
また上記圧力は、50kN/mm2以下であることが好ましく、10kN/mm2以下であることがより好ましい。
At a pressure in the step of deforming the addition of the pressure is not particularly limited, is preferably 0.1 kN / mm 2 or more, more preferably 0.5 kN / mm 2 or more, 1 kN / mm 2 or more It is further preferred that
Also the pressure is preferably at 50 kN / mm 2 or less, more preferably 10 kN / mm 2 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 and deforming the pressure is preferably 200 ° C. or more. More preferably, it is 300 degreeC or more, More preferably, it is 400 degreeC or more. The temperature is preferably 2000 ° C. or less, more preferably 1000 ° C. or less, and still more preferably 700 ° C. or less.
The step of applying and deforming the pressure may be performed in air, or may be performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium, argon or the like.
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。特に圧延加工が生産性に優れる点で好ましい。 Among the above-described steps of applying and deforming the pressure, the extrusion step and the rolling step are preferable. In particular, rolling is preferable in terms of 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。
Below, an extrusion process is demonstrated 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 still more preferably 300 kN or more.
The extrusion load is preferably 1000 kN or less, 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 still 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 still 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 still more preferably 10 or more.
The extrusion ratio is preferably 200 or less, more preferably 100 or less, and still more preferably 40 or less.
The extrusion ratio is a value obtained by dividing the cross-sectional area of the mold on the side pressing the material by the cross-sectional area of the mold on the side from which the material emerges in the 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 step is preferably, for example, a step of hot extrusion. The preferred temperature range in the step of hot extrusion is the same as the preferred temperature range in the deformation step.
本発明の炭素金属複合成形体は種々の形態で利用することができ、例えば、航空機や自動車の電子部品、構造材料等として好適に利用することができる。 The carbon metal composite molded body of the present invention can be used in various forms, and can be suitably used, for example, as an electronic component of an aircraft or an automobile, a structural material, and the like.
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。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail by way of the following examples, but the present invention is not limited to these examples. In addition, unless there is particular notice, "part" shall mean "weight part" and "%" shall mean "mass%."
本明細書中、金属粒子の平均アスペクト比が2以上の成形体を、平均アクペクト比が高い金属粒子を含む成形体とも言う。 In the present specification, a shaped body having an average aspect ratio of 2 or more of metal particles is also referred to as a shaped body containing metal particles having a high average aspect ratio.
各種特性値は、以下の方法により測定した。
(透過型電子顕微鏡(TEM)観察、制限視野電子回折観察、HRTEM−EDSマップ)
(株)日立ハイテクノロジーズ製の高分解能透過電子顕微鏡(HF−2000EDX)を用いて行った。
(電界放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM)観察)
日本電子(株)製の走査電子顕微鏡(JSM−6500F)を用いて行った。
Various characteristic values were measured by the following methods.
(Transmission electron microscope (TEM) observation, limited field electron diffraction observation, HRTEM-EDS map)
It carried out using the high-resolution transmission electron microscope (HF-2000EDX) made from Hitachi High-Technologies Corporation.
(Field emission scanning electron microscope (FE-SEM) observation)
It carried out using the scanning electron microscope (JSM-6500F) made from JEOL.
(顕微ラマンスペクトル)
波長532nmの入射レーザー光で100倍対物レンズを有するSOLAR TII Nanofider(東京インスツルメンツ社)を用いて測定した。
(Microscopic Raman spectrum)
The incident laser light with a wavelength of 532 nm was measured using a SOLAR TII Nanofider (Tokyo Instruments, Inc.) having a 100 × objective lens.
(後方散乱した電子画像)
日本電子(株)製の原子分解能分析電子顕微鏡(JEM−ARM200F)を用いて測定した。
(EPMA元素マッピング)
日本電子(株)製のフィールドエミッション電子プローブマイクロアナライザ(JXA−8530F)を用いて測定した。
(Backscattered electron image)
It measured using the atomic resolution analysis electron microscope (JEM-ARM200F) of JEOL Ltd. make.
(EPMA elemental mapping)
The measurement was performed using a field emission electron probe microanalyzer (JXA-8530F) manufactured by JEOL.
(電子線後方散乱回折(EBSD)、IPFマップ)
(株)TSLソリューションズ製の結晶方位解析装置(OIM Ver.6)を用いて行った。
(Electron backscattering diffraction (EBSD), IPF map)
The crystal orientation analyzer (OIM Ver. 6) manufactured by TSL Solutions Inc. was used.
(成形体中の炭素含有量)
炭素分析装置(TC−444、LECO社製)を用いて測定した。
(Carbon content in molded body)
It measured using the carbon analyzer (TC-444, product made by LECO).
(熱重量分析)
示差熱/熱重量同時測定装置(SDT Q600)を用いて測定した。
(XPS測定)
走査型X線光電子分光分析装置(PHI5600、アルバック・ファイ株式会社製)を用いて測定した。
(成形体の最大引張強度〔UTS〕、降伏強度、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。
(Thermogravimetric analysis)
It measured using the differential thermal / thermogravimetry simultaneous measurement apparatus (SDT Q600).
(XPS measurement)
It was measured using a scanning X-ray photoelectron spectrometer (PHI5600, manufactured by ULVAC-PHI, Inc.).
(Maximum tensile strength [UTS], yield strength, elongation)
It measured using the Shimadzu Corporation precision universal testing machine (AUTOGRAPH AG-I 50KN).
(実施例1)
<FLGの合成>
室温でグラファイト(Bay Carbon社製、品名:SP−1)1g及び硫酸25mLをフラスコへ投入し、フラスコをアイスバスに入れ273K(0℃)を保つように過マンガン酸カリウム3.5gを徐々に投入した。
次に、313K(40℃)で2時間マグネティックスターラーを用いて撹拌した後、脱イオン水200mL、30%過酸化水素水5mLを、この順で投入した。沈殿物を塩酸150mLで洗浄し、真空ろ過で回収した。
回収した沈殿物を、水200mLに分散させ1週間放置した後、再回収した。更に、再回収した沈殿物に水1Lを加え超音波処理を行った。最後に、遠心分離処理を4000rpmで30分行いFLGを得た。
Example 1
<Composition of FLG>
Charge 1 g of graphite (manufactured by Bay Carbon, product name: SP-1) and 25 mL of sulfuric acid at room temperature into a flask, put the flask in an ice bath, and gradually add 3.5 g of potassium permanganate so as to maintain 273 K (0 ° C.) It was thrown in.
Next, after stirring using a magnetic stirrer at 313 K (40 ° C.) for 2 hours, 200 mL of deionized water and 5 mL of 30% hydrogen peroxide water were charged in this order. The precipitate was washed with 150 mL of hydrochloric acid and collected by vacuum filtration.
The collected precipitate was dispersed in 200 mL of water, allowed to stand for one week, and then recovered again. Furthermore, 1 L of water was added to the recollected precipitate, and ultrasonication was performed. Finally, centrifugation was performed at 4000 rpm for 30 minutes to obtain FLG.
<FLG/Al複合粉末の作製>
Al粒子(Ecka granule Japan社製、純度99.85%、平均粒子径5.5μm)15gと水200mLをビーカーに投入し、アイスバス中で2時間、撹拌と超音波処理を行った。次に、FLG溶液(4.95×10−4g/mL)25mLを滴下した。最後に、FLG/Al複合粉末をろ過により回収し343K(70℃)で真空乾燥し、FLG含有量が0.08質量%であるFLG/Al複合粉末を得た。
<Preparation of FLG / Al Composite Powder>
15 g of Al particles (manufactured by Ecka granule Japan, purity 99.85%, average particle diameter 5.5 μm) and 200 mL of water were charged into a beaker, and agitation and ultrasonication were performed for 2 hours in an ice bath. Next, 25 mL of FLG solution (4.95 × 10 −4 g / mL) was added dropwise. Finally, the FLG / Al composite powder was recovered by filtration and vacuum dried at 343 K (70 ° C.) to obtain an FLG / Al composite powder having a FLG content of 0.08 mass%.
<成形体の作製>
FLG/Al複合粉末を50MPa、873K(600℃)(昇温レート:1200K/h)の条件下でパルス通電加圧焼結装置(放電プラズマ焼結装置)(Dr.Sinter S511、住友石炭鉱業(株)製)を用いて0.33時間焼結し、直径15mm、長さ30mmのPCPSサンプル(成形体)を得た。次に、得られたPCPSサンプルを500kN、773K(500℃)の条件下で万能試験機(UH―500kN1,株式会社島津製作所製)を用いて押出速度0.06m/h、押出比率20にて熱間押出を行い、平均アクペクト比が高い金属粒子を含む成形体を得た。
<Production of molded body>
Pulse electric current pressure sintering device (discharge plasma sintering device) (Dr. Sinter S 511, Sumitomo Coal Mining Co., Ltd.) under the conditions of 50 MPa, 873 K (600 ° C.) (temperature raising rate: 1200 K / h) of FLG / Al composite powder Sintering) for 0.33 hours to obtain a PCPS sample (molded body) having a diameter of 15 mm and a length of 30 mm. Next, the obtained PCPS sample was subjected to an extrusion speed of 0.06 m / h and an extrusion ratio of 20 using a universal tester (UH-500 kN1, manufactured by Shimadzu Corporation) under the conditions of 500 kN and 773 K (500 ° C.) Hot extrusion was performed to obtain a molded article containing metal particles having a high average aspect ratio.
(実施例2)
上記<FLG/Al複合粉末の作製>において、滴下したFLG溶液の量を50mLに変更し、FLG含有量0.16質量%のFLG/Al複合粉末を得た以外は実施例1と同様にして成形体を得た。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1 except that in the above <Production of FLG / Al composite powder>, the amount of the dropped FLG solution was changed to 50 mL to obtain FLG / Al composite powder having a FLG content of 0.16% by mass. A molded body was obtained.
(実施例3)
上記<FLG/Al複合粉末の作製>において、滴下したFLG溶液の量を100mLに変更し、FLG含有量0.33質量%のFLG/Al複合粉末を得た以外は実施例1と同様にして成形体を得た。
(Example 3)
In the same manner as in Example 1 except that in the above <Production of FLG / Al composite powder>, the amount of the dropped FLG solution was changed to 100 mL to obtain an FLG / Al composite powder having a FLG content of 0.33% by mass. A molded body was obtained.
(実施例4)
上記<FLG/Al複合粉末の作製>において、滴下したFLG溶液の量を200mLに変更し、FLG含有量0.66質量%のFLG/Al複合粉末を得た以外は実施例1と同様にして成形体を得た。
(Example 4)
In the same manner as in Example 1 except that in the above <Production of FLG / Al composite powder>, the amount of the dropped FLG solution was changed to 200 mL to obtain an FLG / Al composite powder having a FLG content of 0.66% by mass. A molded body was obtained.
(実施例5)
上記<FLG/Al複合粉末の作製>において、滴下したFLG溶液の量を300mLに変更し、FLG含有量0.98質量%のFLG/Al複合粉末を得た以外は実施例1と同様にして成形体を得た。
(Example 5)
In the same manner as in Example 1 except that in the above <Production of FLG / Al composite powder>, the amount of the dropped FLG solution was changed to 300 mL to obtain FLG / Al composite powder having a FLG content of 0.98% by mass. A molded body was obtained.
(実施例6)
上記<FLG/Al複合粉末の作製>において、滴下したFLG溶液の量を500mLに変更し、FLG含有量1.62質量%のFLG/Al複合粉末を得た以外は実施例1と同様にして成形体を得た。
(Example 6)
In the same manner as in Example 1 except that in the above <Production of FLG / Al composite powder>, the amount of the dropped FLG solution was changed to 500 mL to obtain FLG / Al composite powder having a FLG content of 1.62% by mass. A molded body was obtained.
(比較例1)
上記<FLG/Al複合粉末の作製>において、滴下したFLG溶液の量を0mLに変更し、純粋なAl粉末を得た以外は実施例1と同様にして成形体を得た。
(Comparative example 1)
In <Production of FLG / Al Composite Powder>, the amount of the dropped FLG solution was changed to 0 mL, and a molded body was obtained in the same manner as Example 1, except that a pure Al powder was obtained.
(評価)
図1(a)は、改変されたハマーズ法により予め調製したGO(酸化グラフェン)のTEM画像を示す。GOは、そのエッジは僅かに巻かれ、折り曲げられている(図1(a)の塗りつぶされた小さな円で示される部分を参照。)が、シート状(薄片状)である。更に、GOの柔軟性を示す、いくつかのしわが観察される(図1(a)の破線の円で印付けられている。)。
(Evaluation)
FIG. 1 (a) shows a TEM image of GO (graphene oxide) previously prepared by the modified Hamers method. The GO is in the form of a sheet (flaky) in which the edge is slightly wound and folded (see the portion shown by the small filled circle in FIG. 1 (a)). In addition, some wrinkles are observed (marked by the dashed circle in FIG. 1 (a)), indicating the flexibility of the GO.
図1(b)は、図1(a)に示す中抜きの四角の位置から取得したGOの制限視野電子回折(Selected-area electron diffraction:SAED)パターンである。この回折パターンは、グラフェンについて予期される典型的な六回対称パターンを示す。
図1(c)は、図1(b)に示すパターンについての(1−210)軸から(−2110)軸に沿う回折強度である。{1100}内部ピークが、{2110}外部ピークよりも強く見えることから、このGOは単層である可能性がある。また、TEM観察から、このGOが1層又は10層未満の数層程度積層した構造からなるものであることが分かる。層数については後で更に議論する。また、動的光散乱法(DLS)測定から、丸いシートと推定されるGOの平均サイズは700nmであり、これは本実施例で用いるAl粉末のサイズ(5.5μm)よりも大幅に小さい。
FIG. 1 (b) is a selected-area electron diffraction (SAED) pattern of GO obtained from the position of the open square shown in FIG. 1 (a). This diffraction pattern shows the typical six-fold symmetrical pattern expected for graphene.
FIG. 1 (c) is a diffraction intensity along the (1-210) axis to the (-2110) axis for the pattern shown in FIG. 1 (b). This GO may be a monolayer, as the {1100} inner peak appears stronger than the {2110} outer peak. In addition, it can be understood from TEM observation that this GO has a structure in which several layers of less than one layer or less than 10 layers are laminated. The number of layers will be discussed further later. Also, from dynamic light scattering (DLS) measurement, the average size of GO, which is estimated to be a round sheet, is 700 nm, which is much smaller than the size (5.5 μm) of the Al powder used in this example.
図2(a)は、純粋なAl粉末を示すFE−SEM画像である。図2(b)、図2(c)、図2(d)は、それぞれ、GO含有量0.16質量%、0.66質量%、1.62質量%のGO/Al複合粉末を示すFE−SEM画像である。図2(b)中の黒破線は、Al表面上のしわがある(crumpled)GOを示す。図2(d)中の白矢印は、Al粒子間のGOシートの僅かな凝集物を示す。
GO含有量0.66質量%までのGO/Al複合粉末を示す図2(a)〜(c)では、GOクラスターは殆ど観察されない。しかし、GO含有量1.62質量%では、GOの僅かな凝集がAl粒子間に観察される(図2(d))。理由の1つは、粉末混合の間、GOシートの全表面積に対するAl粒子の接触表面が限定されていることである。
FIG. 2 (a) is an FE-SEM image showing pure Al powder. Fig. 2 (b), Fig. 2 (c) and Fig. 2 (d) show an FE having a GO content of 0.16% by mass, 0.66% by mass and 1.62% by mass, respectively. -SEM image. The black broken line in FIG. 2 (b) shows crumpled GO on the Al surface. The white arrows in FIG. 2 (d) indicate slight aggregation of GO sheets between Al particles.
In FIG. 2 (a)-(c) which shows GO / Al composite powder to GO content 0.66 mass%, GO cluster is hardly observed. However, at a GO content of 1.62% by mass, slight aggregation of GO is observed between Al particles (FIG. 2 (d)). One reason is that during powder mixing, the contact surface of the Al particles to the total surface area of the GO sheet is limited.
図3(a)、図3(b)はともにGO含有量0.66質量%GO/Al複合粉末のTEM画像である。
図3(a)は、Al粒子がGOシートで包まれた構造を示す。上述したように、GOシートとAl粒子とはサイズが大きく違う。したがって、Al粒子はいくつかのGOシートでカバーされる。図3(b)中の黒矢印は、2つのAl粒子間を架橋するGOシートを指し示している。図3(b)に示すように、GOシートのいくつかはAl粒子間を架橋し、その結果、GOシートは互いに重なり合い、くっつき合い、ネットワーク構造を形成し、材料全体で見たときに均一に分散されたものとなり、強度等の特性を充分に発揮できるものとなる。
FIGS. 3 (a) and 3 (b) are TEM images of a GO content of 0.66 mass% GO / Al composite powder.
FIG. 3 (a) shows a structure in which Al particles are wrapped with a GO sheet. As described above, the size of the GO sheet and the size of the Al particles are significantly different. Therefore, Al particles are covered with several GO sheets. The black arrows in FIG. 3 (b) indicate GO sheets that crosslink between two Al particles. As shown in FIG. 3 (b), some of the GO sheets crosslink between the Al particles, so that the GO sheets overlap each other, stick together, form a network structure, and uniformly when viewed across the material It becomes dispersed and can fully exhibit characteristics such as strength.
実施例1〜6及び比較例1の、複合粉末(実施例1〜6)又は純粋なAl(比較例1)中のGO含有量(質量%)、並びに、rGO/Al複合成形体(実施例1〜6)又は純粋なAl(比較例1)の、パルス通電加圧焼結後の相対密度(%)、HE(熱間押出)後の相対密度(%)、rGO含有量(体積%)、PCPS後のグレインサイズ(μm)、HE後のHEに垂直なグレインサイズ(μm)を下記表1に示す。なお、rGOの密度2.28g/cm、Alの密度2.7g/cmを用いてrGO含有量(体積%)を決定した。 GO content (% by mass) in composite powder (Examples 1 to 6) or pure Al (Comparative example 1) of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, and rGO / Al composite formed article (Example Relative density (%) after pulse current pressure sintering, relative density (%) after HE (hot extrusion), rGO content (volume%) of 1 to 6) or pure Al (comparative example 1) The grain size (μm) after PCPS and the grain size (μm) perpendicular to HE after HE are shown in Table 1 below. The rGO content (volume%) was determined using a density of 2.28 g / cm for rGO and a density of 2.7 g / cm for Al.
表1の結果から、実施例の炭素金属複合成形体及びこれに圧力を加えて変形させることで得られる成形体は、充分に高い相対密度を有し、また、圧力の印加により方向性を有するものであることが分かる。なお、成形体中の炭素含有量は、複合体中の炭素含有量と同様であると考えられる。 From the results of Table 1, it can be seen that the carbon-metal composite moldings of the examples and the moldings obtained by applying pressure thereto and deforming them have a sufficiently high relative density, and also have directionality by the application of pressure. It is understood that it is a thing. The carbon content in the molded body is considered to be the same as the carbon content in the composite.
図4は、GO、PCPSで得られた複合成形体、並びに、PCPS及びHE後の成形体のラマンスペクトルを示す。1350cm−1でのDバンドは、通常、格子欠陥の存在と関係し、1580cm−1でのGバンドは、グラフェンシートにおける平面C−C対称伸縮振動に対応する。GOは473Kから1273Kの温度域で還元されるとID/IG比が大きくなる事が報告されている(非特許文献:S.H.Huh. Thermal reduction of grapheme oxide:INTECH Open Access Publisher;2011)。PCPS後、ID/IG比が0.97から1.09に僅かに大きくなっており、PCPSの間にGOが還元してrGO(還元型酸化グラフェン)になったと考えられる。また、2600−3300cm−1で2Dバンド、D+Gバンドが検出された。2Dバンドは、芳香族炭素構造を反映しており、D+Gバンドは、黒鉛系材料の格子乱れにより誘起される。PCPS後の組成物において2Dバンドが再度現れ、I2D/ID+Gが向上しており、これはグラフェンの二重結合(共役構造)の回復によるものである。 FIG. 4 shows Raman spectra of composite molded bodies obtained by GO and PCPS, and molded bodies after PCPS and HE. The D band at 1350 cm −1 is usually associated with the presence of lattice defects, and the G band at 1580 cm −1 corresponds to planar C—C symmetric stretching vibrations in the graphene sheet. It is reported that the I D / I G ratio increases when GO is reduced in the temperature range of 473 K to 1273 K (non-patent document: SHHuh. Thermal reduction of grapheme oxide: INTECH Open Access Publisher; 2011). After PCPS, the I D / I G ratio is slightly increased from 0.97 to 1.09, and it is considered that GO was reduced to rGO (reduced graphene oxide) during PCPS. Moreover, 2D band and D + G band were detected at 2600-3300 cm −1 . The 2D band reflects the aromatic carbon structure, and the D + G band is induced by lattice disorder of the graphitic material. The 2D band reappears in the composition after PCPS and the I 2D / I D + G is improved, which is due to the recovery of the graphene double bond (conjugated structure).
図5(a)は、0.4体積%rGO/Al複合成形体についてのTEM画像である。図5(b)は、(a)中の破線で示される四角の位置から取得したrGO/Al境界のHRTEM−EDSマッピングである。図5(c)、図5(d)は、0.4体積%rGO/Al複合成形体についてのHRTEM画像である。
図5(b)は、図5(a)中の白い四角の中の領域から取得した粒界(grain boundary)でのHRTEM−EDSマッピングである。Cは、rGOに対応する。Al、Oは、Al2O3に対応する。
図5(c)、図5(d)に示されるように、rGO板状体は、5nm厚以下のアモルファスであるAl2O3層間に挟持され、Al2O3層と直接接している。これは、rGOが粒界に位置していることの明らかな証拠である。rGO/Al複合成形体全体として見たときに、該材料中に、rGOは均一に分散していると評価できる。
FIG. 5 (a) is a TEM image of a 0.4 vol% rGO / Al composite compact. FIG.5 (b) is a HRTEM-EDS mapping of the rGO / Al boundary acquired from the square position shown with the broken line in (a). FIG.5 (c), FIG.5 (d) is a HRTEM image about 0.4 volume% rGO / Al composite compact.
FIG. 5 (b) is HRTEM-EDS mapping at grain boundaries obtained from the area in the white square in FIG. 5 (a). C corresponds to rGO. Al and O correspond to Al 2 O 3 .
As shown in FIG. 5 (c) and FIG. 5 (d), the rGO plate is sandwiched between the Al 2 O 3 layers which are amorphous of 5 nm or less in thickness and is in direct contact with the Al 2 O 3 layers. This is clear evidence that rGO is located at grain boundaries. When viewed as the whole rGO / Al composite compact, rGO can be evaluated as being uniformly dispersed in the material.
図5(c)中の左上の挿入図は、塗りつぶしの円の部分から取得されたAl2O3層のSAEDパターンであり、アモルファス構造に特有のハローパターンを示している。図5(d)中の左下の挿入図は、塗りつぶしの円の部分から取得されたAlマトリックスのSAEDパターンであり、Al結晶の対称性に従った回折スポットを示している。
図5(c)の右下の挿入図、図5(d)の右上の挿入図は短い線で印付けられた線上をラインスキャンした炭素のEDSスペクトルであり(横軸がラインスキャン距離、縦軸が炭素の特性X線強度)、粒界でのグラフェン層の数を決定できる。図5(c)の右下の挿入図では、5つのピークが示され、rGO板状体は5層のグラフェンを含む。図5(d)中の右上の挿入図では、3つのピークが示され、rGO板状体は3層のグラフェンを含む。10層以上のグラフェン層を含む板状体が殆ど観察されないため、粒界におけるrGO板状体は数層のグラフェン(FLG)であると推察される。
以上の結果から図5(a)を見ると、図5(a)は、柔軟性のあるFLGが曲がった粒界に途切れなく存在し、フィットしていることを示す。
The upper left inset in FIG. 5 (c) is the SAED pattern of the Al 2 O 3 layer obtained from the portion of the filled circle, showing the halo pattern specific to the amorphous structure. The lower left inset in FIG. 5 (d) is the SAED pattern of the Al matrix taken from the portion of the filled circle, showing the diffraction spots according to the symmetry of the Al crystal.
The inset at the lower right of Fig. 5 (c) and the inset at the upper right of Fig. 5 (d) are EDS spectra of carbon line-scanned on a line marked with a short line (the horizontal axis is the line scan distance, vertical Characteristic X-ray intensity of carbon (axis), the number of graphene layers at grain boundaries can be determined. In the lower right inset of FIG. 5 (c), five peaks are shown, and the rGO platelets contain five layers of graphene. In the upper right inset in FIG. 5 (d), three peaks are shown, and the rGO platelets contain three layers of graphene. It is presumed that rGO platelets at grain boundaries are several layers of graphene (FLG) because platelets including 10 or more graphene layers are hardly observed.
From the above results, looking at FIG. 5 (a), FIG. 5 (a) shows that the flexible FLG is continuously present at the curved grain boundaries and fitted.
図6(a)は、熱重量分析におけるGOの温度に対する重量を示すグラフである。図6(b)は、GO及びPCPS後のGOそれぞれの、XPS測定によるC1s領域のナロースキャンスペクトルである。図6(a)は、GOの600℃でのPCPS後、約40%の重量損失があったことを示す。また、図6(b)に示すC1sスペクトルでは、PCPS後、C−O、C=Oに由来するピークが消失している。これらの結果から、GOは、PCPS後、還元されて還元型のrGOとなったことが分かる。 FIG. 6 (a) is a graph showing weight against temperature of GO in thermogravimetric analysis. FIG. 6 (b) is a narrow scan spectrum of the C1s region by XPS measurement of GO and GO after PCPS, respectively. FIG. 6 (a) shows that after PCPS at 600 ° C. for GO, there was a weight loss of about 40%. Further, in the C1s spectrum shown in FIG. 6B, after PCPS, peaks derived from C—O and COO disappear. From these results, it can be seen that GO was reduced after PCPS to form reduced rGO.
図7(a)は、PCPS後の、純粋なAl、0.2体積%FLG/Al複合成形体、0.4体積%FLG/Al複合成形体、0.6体積%FLG/Al複合成形体それぞれの電子線後方散乱分析(EBSD)における逆極点図(Inverse Pole Figure:IPF)マップを示す。図7(b)は、rGOの体積割合に対する粒子径を示すグラフである。図7(b)で示す結果は、上記表1にも示している。 FIG. 7 (a) shows pure Al, 0.2 vol% FLG / Al composite compact, 0.4 vol% FLG / Al composite compact, 0.6 vol% FLG / Al composite compact after PCPS. An inverse pole figure (IPF) map in each electron backscattering analysis (EBSD) is shown. FIG. 7 (b) is a graph showing the particle diameter with respect to the volume ratio of rGO. The results shown in FIG. 7 (b) are also shown in Table 1 above.
図8(a)は、PCPSで得られた0.4体積%FLG/Al複合成形体の横断面図のより低倍率のFE−SEM画像である。図8(b)は、PCPSで得られた0.4体積%FLG/Al複合成形体の横断面図のより高倍率のFE−SEM画像である。
図8におけるAlマトリックスの平均グレインサイズは4.8μmである。
更に、AlマトリックスのPCPS後のグレインサイズは、FLG濃度(rGO含有量)とは独立している(表1)。図5に示される、FLG板状体を含む粒界は、図8において途切れのない白い輪郭線として観察される。これらの輪郭線は、実質的に均一な太さで全ての粒子を囲む。
FIG. 8 (a) is a lower magnification FE-SEM image of a cross-sectional view of a 0.4 vol% FLG / Al composite molded body obtained by PCPS. FIG. 8 (b) is a higher magnification FE-SEM image of a cross-sectional view of a 0.4 vol% FLG / Al composite compact obtained with PCPS.
The average grain size of the Al matrix in FIG. 8 is 4.8 μm.
Furthermore, the grain size after PCPS of the Al matrix is independent of the FLG concentration (rGO content) (Table 1). Grain boundaries containing FLG platelets, shown in FIG. 5, are observed as unbroken white outlines in FIG. These contours surround all particles with a substantially uniform thickness.
図9は、PCPSで得られた0.4体積%FLG/Al複合成形体の横断面図のEPMA分析における反射電子像及び元素マッピングである。図9の「BSE」中に示される線は、Al粒子の粒界を表しており、EPMAの結果からこの線で表される粒界に炭素(FLG)が均一に分散していることが確認できる。 FIG. 9 is a reflection electron image and elemental mapping in EPMA analysis of a cross-sectional view of a 0.4 vol% FLG / Al composite compact obtained by PCPS. The line shown in “BSE” in FIG. 9 represents the grain boundary of Al particles, and the results of EPMA confirm that carbon (FLG) is uniformly dispersed in the grain boundary represented by this line. it can.
したがって、FLGはPCPS後の複合成形体中の粒界で均一に分散され、粒界に沿って三次元ネットワークを形成する。FLGが複合成形体中で均一に分布しており、重大な凝集が無いことが確かめられた。 Therefore, FLG is uniformly dispersed at grain boundaries in the composite compact after PCPS to form a three-dimensional network along the grain boundaries. It was confirmed that the FLGs were uniformly distributed in the composite compact and that there was no significant aggregation.
図10(a)は、PCPS及びHE後の0.4体積%FLG/Al複合成形体の横断面図(押出方向に垂直な断面)についてのIPFマップを示す。図10(b)は、PCPS及びHE後の0.4体積%FLG/Al複合成形体の縦断面図(押出方向に平行な断面)についてのEBSD分析における逆極点図マップを示す。図10(b)中、EDは押出方向を示し、TDは横断方向を示す。
図10(a)及び図10(b)より、熱間押出(HE)により、FLGの三次元ネットワークが崩れ、押出方向に二次元配向していることが分かる。Al粒子の平均アスペクト比は、4である。
PCPSとHEとの組合せは、完全に密なFLG/Al複合成形体を調製するために非常に有効であり、すべての押出されたサンプルが、99.5%以上の相対密度を有する(表1)。
主要なAl粒子は、紡錘状に引き伸ばされ、押出方向に沿って配向され、強い引張強度を示すと考えられる。押出された成形体の横断面図の平均グレインサイズは、2.2μmであり(図10(a))、PCPS後の材料の平均グレインサイズ(4.6μm)よりも小さい。したがって、2つの隣接するFLG間の距離は、横断面図において50%減少したことが分かる。
FIG. 10 (a) shows an IPF map for a cross-sectional view (cross section perpendicular to the extrusion direction) of the 0.4 vol% FLG / Al composite compact after PCPS and HE. FIG. 10 (b) shows a reverse pole figure map in EBSD analysis of a longitudinal cross-sectional view (cross section parallel to the extrusion direction) of a 0.4 vol% FLG / Al composite compact after PCPS and HE. In FIG. 10 (b), ED indicates the extrusion direction, and TD indicates the transverse direction.
From FIGS. 10 (a) and 10 (b), it is understood that the three-dimensional network of the FLG is broken by the hot extrusion (HE), and the two-dimensional orientation is made in the extrusion direction. The average aspect ratio of the Al particles is four.
The combination of PCPS and HE is very effective for preparing fully compact FLG / Al composite compacts, all extruded samples have a relative density of 99.5% or more (Table 1) ).
The main Al particles are considered to be spindle-shaped and oriented along the extrusion direction and to exhibit strong tensile strength. The average grain size in the cross-sectional view of the extruded molded body is 2.2 μm (FIG. 10 (a)), which is smaller than the average grain size (4.6 μm) of the material after PCPS. Thus, it can be seen that the distance between two adjacent FLGs is reduced by 50% in the cross-sectional view.
図11(a)は、熱間押出された0.4体積%FLG/Al複合成形体についてTEM画像である。図11(b)は、熱間押出された0.4体積%FLG/Al複合成形体についてのHRTEM画像である。図11(c)は、熱間押出された0.4体積%FLG/Al複合成形体についてのTEM画像である。図11(d)は、熱間押出された0.4体積%FLG/Al複合成形体についてのHRTEM画像である。 FIG. 11 (a) is a TEM image of a hot extruded 0.4% by volume FLG / Al composite compact. FIG. 11 (b) is an HRTEM image of a hot extruded 0.4 vol% FLG / Al composite compact. FIG. 11 (c) is a TEM image of a hot extruded 0.4% by volume FLG / Al composite compact. Figure 11 (d) is an HRTEM image of a hot extruded 0.4 vol% FLG / Al composite compact.
図11(a)及び図11(c)中に示されるHRTEM観察により、個々のFLG板状体が、HE方向と平行な方向に整列し、Alマトリックスと一体化したことが明らかとなった。図11(b)は、FLGが一方の側でAl2O3と密接に接触するが、他方の側でAlマトリックスと直接接触することを示す。
図11(d)は、FLGがその両側でAlマトリックスと直接接触することを示す。
HEプロセスの間のAlマトリックスの塑性流動が粒界におけるFLGネットワークを破壊し、塑性流動の方向に沿って個々のFLG板状体を再配置したと推察される。塑性流動は、FLG板状体を伸ばし、平たくするのに寄与したかも知れない。同時に、Al粉末表面上の薄いAl2O3層は、塑性流動によって破壊され、この塑性流動は、Alの新しい表面を作り出し、FLGとAlマトリックスとを直接接触させた。図4に示したラマンスペクトル分析から、HE後のFLGの品質が維持されたことが明らかである。
The HRTEM observations shown in FIGS. 11 (a) and 11 (c) revealed that the individual FLG platelets were aligned in a direction parallel to the HE direction and integrated with the Al matrix. FIG. 11 (b) shows that FLG is in intimate contact with Al 2 O 3 on one side, but in direct contact with the Al matrix on the other side.
Figure 11 (d) shows that the FLG is in direct contact with the Al matrix on both sides.
It is inferred that the plastic flow of the Al matrix during the HE process breaks up the FLG network at grain boundaries and repositions the individual FLG platelets along the direction of plastic flow. Plastic flow may have contributed to stretching and flattening of the FLG plate. At the same time, the thin Al 2 O 3 layer on the Al powder surface was broken by plastic flow, which created a new surface of Al and brought the FLG and Al matrix into direct contact. It is clear from the Raman spectrum analysis shown in FIG. 4 that the quality of FLG after HE was maintained.
FLG/Al材料が完全に密であり、個々のFLG板状体の殆どが押出方向に沿って配列し、残ったひずみはほとんど無く、界面でFLG/Alが直接接していることが示された。 It was shown that the FLG / Al material was completely dense, most of the individual FLG platelets were aligned along the extrusion direction, little strain remained, and the FLG / Al was in direct contact at the interface .
図11(b)は、図11(a)中の破線で示される白い四角の位置から取得した;図11(b)中の左上の挿入図は、Al2O3層のEDSスペクトルであり、O元素とAl元素の特性X線が確認できる。また、左下の挿入図は、塗りつぶされた白い円の部分から取得したAlマトリックスのSAEDパターンであり、Al結晶の対称性に従った回折スポットを示している。さらに、右下の挿入図は、短い線で印付けられた線上をラインスキャンした炭素のEDSスペクトル(横軸がラインスキャン距離、縦軸が炭素の特性X線強度)である。EDSスペクトルからは9つのピークが確認され、図11(b)中のFLGは9層のグラフェンを含む。図11(d)中の左上の挿入図は、塗りつぶされた円の部分のHRTEM画像の高速フーリエ変換(FFT)パターンであり、Al結晶の対称性に従った回折スポットを示している。また、右下の挿入図は短い線で印付けられた線上をラインスキャンした炭素のEDSスペクトル(横軸がラインスキャン距離、縦軸が炭素の特性X線強度)である。EDSスペクトルからは5つのピークが確認され、図11(d)中のFLGは5層のグラフェンを含むことを示す。
なお、図11(b)中の挿入図のピーク数は9である。
Figure 11 (b) was taken from the position of the white square shown by the dashed line in Figure 11 (a); the upper left inset in Figure 11 (b) is the EDS spectrum of the Al 2 O 3 layer, Characteristic X-rays of O and Al elements can be confirmed. Also, the lower left inset is the SAED pattern of the Al matrix obtained from the filled white circle part, showing the diffraction spots according to the symmetry of the Al crystal. Further, the lower right inset is the EDS spectrum of carbon scanned on a line marked by a short line (horizontal axis: line scan distance, vertical axis: characteristic X-ray intensity of carbon). Nine peaks are confirmed from the EDS spectrum, and FLG in FIG. 11 (b) contains nine layers of graphene. The upper left inset in FIG. 11 (d) is a Fast Fourier Transform (FFT) pattern of the HRTEM image of the filled circle portion, showing the diffraction spots according to the symmetry of the Al crystal. Also, the lower right inset is the EDS spectrum of carbon line-scanned on a line marked by a short line (horizontal axis is line scan distance, vertical axis is characteristic X-ray intensity of carbon). Five peaks are confirmed from the EDS spectrum, and it is shown that FLG in FIG. 11 (d) contains five layers of graphene.
The number of peaks in the inset in FIG. 11B is nine.
実施例1〜6及び比較例1における熱間押出後の、rGO/Al複合成形体(実施例1〜6)又は純粋なAl(比較例1)の最大引張強度(UTS)、降伏強度、伸びを下記表2に示す。図12は、0.4体積%FLG/Al複合成形体(実施例4)及び純粋なAl(比較例1)の典型的な公称引張応力−引張ひずみ曲線を示す。 Maximum tensile strength (UTS), yield strength, elongation of rGO / Al composite compacts (Examples 1 to 6) or pure Al (Comparative Example 1) after hot extrusion in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 Is shown in Table 2 below. FIG. 12 shows typical nominal tensile stress-tensile strain curves of 0.4 volume% FLG / Al composite compact (Example 4) and pure Al (Comparative Example 1).
比較例1における最大引張強度(UTS)、降伏強度、伸びは、それぞれ、136.7MPa、110.3MPa、24.3%と測定された。一方、例えば実施例4のUTS、降伏強度、伸びは、それぞれ、173.0MPa、146.2MPa、14.2%と測定された。したがって、実施例4は、比較例1に対してUTSが26.6%と大きく増加し、降伏強度が32.5%と大きく増加した。その他の実施例1〜3、5、6においても、比較例1に対してUTS及び降伏強度が大きく増加した。 The maximum tensile strength (UTS), yield strength, and elongation in Comparative Example 1 were measured to be 136.7 MPa, 110.3 MPa, and 24.3%, respectively. On the other hand, for example, UTS, yield strength and elongation of Example 4 were measured as 173.0 MPa, 146.2 MPa and 14.2%, respectively. Accordingly, in Example 4, the UTS significantly increased to 26.6% and the yield strength significantly increased to 32.5% relative to Comparative Example 1. Also in the other examples 1 to 3, 5 and 6, the UTS and the yield strength significantly increased relative to the comparative example 1.
Claims (5)
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。 A carbon metal composite molded body of a flaky carbon material having a graphene skeleton and metal particles,
What is claimed is: 1. A carbon-metal composite molded body, wherein the molded body has a relative density of 90% or more and contains 25% by volume or less of carbon.
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金属粒子とをパルス通電加圧焼結で焼結する工程を含むことを特徴とする炭素金属複合成形体の製造方法。 A method of producing a carbon-metal composite molded body using a flaky carbon material having a graphene skeleton and metal particles,
The method for producing a carbon metal composite formed body, comprising the step of sintering a flaky carbon material having a graphene skeleton and metal particles by pulse current pressure sintering.
The method for producing a carbon-metal composite molded body according to claim 3 or 4, further comprising the step of applying pressure to the molded body obtained in the sintering step to deform the molded body obtained in the sintering step.
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