特許 5697045 複合電線およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5697045

(24)【登録日】2015年2月20日

(45)【発行日】2015年4月8日

(54)【発明の名称】複合電線およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01B 5/08 20060101AFI20150319BHJP

   H01B 13/00 20060101ALI20150319BHJP

   C22C 21/00 20060101ALI20150319BHJP

   C22C 49/06 20060101ALI20150319BHJP

   C22C 49/14 20060101ALI20150319BHJP

   C22C 47/14 20060101ALI20150319BHJP

   C22C 1/05 20060101ALI20150319BHJP

   H01B 5/02 20060101ALI20150319BHJP

   H01B 7/00 20060101ALN20150319BHJP

   C22C 101/10 20060101ALN20150319BHJP

【ＦＩ】

   H01B5/08

   H01B13/00 501Z

   C22C21/00 A

   C22C49/06

   C22C49/14

   C22C47/14

   C22C1/05 C

   H01B5/02 A

   !H01B7/00

   C22C101:10

【請求項の数】23

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2011-550956(P2011-550956)

(86)(22)【出願日】2011年1月20日

(86)【国際出願番号】JP2011051009

(87)【国際公開番号】WO2011090133

(87)【国際公開日】20110728

【審査請求日】2013年12月3日

(31)【優先権主張番号】特願2010-10330(P2010-10330)

(32)【優先日】2010年1月20日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096091

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 誠一

(72)【発明者】

【氏名】神山 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】赤坂 広二

(72)【発明者】

【氏名】橘 正人

(72)【発明者】

【氏名】力久 弘昭

(72)【発明者】

【氏名】萩原 卓三

【審査官】 冨士 美香

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−２４５５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０２１０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１７６３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３２７２５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｂ ５／０８

Ｃ２２Ｃ １／０５

Ｃ２２Ｃ ２１／００

Ｃ２２Ｃ ４７／１４

Ｃ２２Ｃ ４９／０６

Ｃ２２Ｃ ４９／１４

Ｈ０１Ｂ ５／０２

Ｈ０１Ｂ １３／００

Ｃ２２Ｃ １０１／１０

Ｈ０１Ｂ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数本の素線を撚り合わせてなる複合電線であって、前記複合電線には、アルミニウム材料中にカーボンナノチューブが分散してなる複合材料を用いた線材からなる、カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線を含み、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線が、カーボンナノチューブを含む隔壁部と、前記隔壁部に覆われ、アルミニウム材料と不可避不純物からなる隔壁内部と、を有するセルレーション構造を有し、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線において、前記カーボンナノチューブの前記アルミニウム材料に対する配合比が０．２重量％以上５重量％以下の範囲であり、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の前記隔壁内部の少なくとも一部が、複数の結晶粒を持つ多結晶状であり、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の引張強さが、１５０ＭＰａ以上であり、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の２９３Ｋでの線膨張係数が、１０Ｘ１０^-6／Ｋ以下であり、
前記複合電線が全て前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線で構成されるか、または前記複合電線の中心部に１本または複数本の鋼線を有することを特徴とする複合電線。

【請求項2】

前記セルレーション構造の、前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の長手方向に垂直に切断した際の直径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の複合電線。

【請求項3】

前記隔壁内部の、前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の長手方向に垂直に切断した際の大きさが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合電線。

【請求項4】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線において、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の長手方向に垂直な断面では、類似のセルレーション構造が繰り返す構造を有しており、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の前記隔壁内部の形状が、前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の長手方向に長く、前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の長手方向に垂直な方向には短い構造を有しており、
少なくとも一部の前記隔壁部が、前記隔壁部の長手方向が前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の長手方向と略並行である略筒形状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項5】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線において、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の前記隔壁部が、複数のカーボンナノチューブからなる織物状構造を有しており、
前記織物状構造が前記隔壁内部由来のアルミニウム材料を内包しており、
前記隔壁部を構成する各カーボンナノチューブが、前記隔壁内部の表面のアルミニウム材料に接すると同時に、別のカーボンナノチューブに接した状態であって、
かつ、前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の長手方向に平行な断面と垂直な断面の双方に前記セルレーション構造を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項6】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線が、
カーボンナノチューブを含み、前記セルレーション構造を有する芯部と、
前記芯部よりもカーボンナノチューブの濃度が低いか、カーボンナノチューブを含まず、前記セルレーション構造を有しない外装部とを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項7】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線が、
アルミニウム材料と不可避不純物からなり、前記セルレーション構造を有しない領域と、
カーボンナノチューブを含み、前記セルレーション構造を有する領域と、を交互に同心円状に有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項8】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線において、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の前記隔壁部は、前記隔壁内部よりもカーボンナノチューブを多く含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項9】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線において、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の前記隔壁部の酸化アルミニウム濃度が前記隔壁内部の酸化アルミニウム濃度よりも高いことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項10】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線において、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の長手方向と垂直な断面において、前記セルレーション構造の複数の前記隔壁部が互いに接しており、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の前記隔壁部の構造が、一部に直線を有する円形状、一部に直線を有する楕円形状、または複数の直線で構成される略多角形状を有し、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の長手方向に垂直な断面では、類似のセルレーション構造が繰り返す構造を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項11】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線において、
前記カーボンナノチューブに、前記カーボンナノチューブの長手方向に垂直な方向に応力が加えられ、前記カーボンナノチューブの長手方向に垂直な断面が略三角形状に変形しているか、前記カーボンナノチューブが折れ曲がるか、のいずれかまたは両方が引き起こされていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項12】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線において、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の複数の前記隔壁部が、長さ１μｍ以下のカーボンナノチューブを含み、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の複数の前記隔壁内部が、長さ１０μｍ以上のカーボンナノチューブで連結されていることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項13】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線において、
前記カーボンナノチューブが、長さ１μｍ以下のカーボンナノチューブと長さ１０μｍ以上のカーボンナノチューブを含み、長さ分布に１μｍ以下と、１０μｍ以上の二つのピークを持つことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項14】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の前記隔壁内部の長手方向の長さは、前記隔壁内部の長手方向に垂直な方向の長さの１００倍以下であることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項15】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線が芯線でないことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項16】

前記素線が、アルミニウム線またはアルミニウム合金線のいずれか一方または両方と、前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線との組み合わせであることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項17】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の引張り強度がアルミニウム以上であって、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の電気伝導度がアルミニウムの電気伝導度の９０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項18】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の線膨張係数が、アルミニウム以下であって、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の電気伝導度がアルミニウムの電気伝導度の９０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項19】

前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の溶融温度が、アルミニウム以上であって、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線の電気伝導度がアルミニウムの電気伝導度の９０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の複合電線。

【請求項20】

請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の複合電線を樹脂で被覆したことを特徴とする複合電線。

【請求項21】

エラストマーと、アルミニウム材料の粒子と、カーボンナノチューブと、を混合して混合物を得る工程（ａ）と、
前記混合物を熱処理し、前記エラストマーを分解気化させて原材料を得る工程（ｂ）と、
前記原材料を焼結し、ビレットを得る工程（ｃ）と、
前記ビレットをダイスより引抜き、複合材料を用いたカーボンナノチューブを含むアルミニウム素線を得る工程（ｄ）と、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線を含む素線を撚り合わせる工程（ｅ）と、
を含む、複合電線の製造方法。

【請求項22】

エラストマーと、アルミニウム材料の粒子と、カーボンナノチューブと、を混合して混合物を得る工程（ａ）と、
前記混合物を熱処理し、前記エラストマーを分解気化させて原材料を得る工程（ｂ）と、
前記原材料を焼結し、ビレットを得る工程（ｃ）と、
前記ビレットを熱間押出しし、複合材料を用いたカーボンナノチューブを含むアルミニウム素線を得る工程（ｄ）と、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線を含む素線を撚り合わせる工程（ｅ）と、
を含む、複合電線の製造方法。

【請求項23】

エラストマーと、アルミニウム材料の粒子と、カーボンナノチューブと、を混合して混合物を得る工程（ａ）と、
前記混合物を熱処理し、前記エラストマーを分解気化させて原材料を得る工程（ｂ）と、
前記原材料を焼結し、ビレットを得る工程（ｃ）と、
前記ビレットを熱間押出しし、押出材を得る工程（ｄ）と、
前記押出材をダイスより引抜き、複合材料を用いたカーボンナノチューブを含むアルミニウム素線を得る工程（ｅ）と、
前記カーボンナノチューブを含むアルミニウム素線を含む素線を撚り合わせる工程（ｆ）と、
を含む、複合電線の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アルミニウム材料中にカーボンナノチューブを含む複合材料を用いた線材を素線として用いて撚り合わせた、低弛度増容量の複合電線などに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の架空送電線において、送電容量を増加する場合、電線サイズ（太さ）を大きくすることで送電容量を増加することが可能であるが、電線質量が増加し、電線の弛度（弛み）が大きくなり、線下との離隔距離が確保できなくなってしまう。また、電線サイズが大きくなることで電線の風圧荷重が増加し、鉄塔の設計荷重を上回ってしまうこととなる。このため、増容量を行なう区間については、鉄塔高を高く（嵩上げ）改造し、弛度の増加への対策を行なっている。

【0003】

また、送電容量の増加が可能な従来の電線として、鋼線の周りに圧縮型アルミ線を撚り合わせ、鋼線とアルミ線の間に隙間を設け、張力分担を全て亜鉛めっき鋼線のみで分担させ、アルミ線には張力分担させない構造としたギャップ電線がある。この電線は、高温域の温度伸びが通常のＡＣＳＲ（鋼心アルミ撚り線）よりも小さいため、低弛度でＡＣＳＲの１．６倍程度の増容量が可能である。

【0004】

他にも、送電容量の増加が可能な従来の電線として、鋼線の代わりに、高温域の温度伸び（線膨張係数）の小さいインバ線を用いた亜鉛メッキインバ心超耐熱アルミ合金撚り線（ＺＴＡＣＩＲ）やアルミ覆インバ心特別耐熱アルミ合金撚り線（ＸＴＡＣＩＲ）などのインバ電線が用いられている。インバ線の線膨張係数は、通常のＡＣＳＲに使用されている亜鉛メッキ鋼線よりも１／２〜１／３と小さいため、高温域においても電線の伸びが小さいため、弛度が従来のＡＣＳＲと同等にすることができる。また、電線外径も従来の電線と等価外径であるため、鉄塔への風圧荷重増加もない。

【0005】

しかしながら、従来の架空送電線において、鉄塔の嵩上げ工事は、送電状態で鉄塔改良工事が必要となるため通常の鉄塔建設工事よりも工事期間がかかり、工事費も非常に高額となる。
また、ギャップ電線は、鋼線とアルミ層間にギャップがあることから、電線緊線工法が異なる。通常のＡＣＳＲと同様に電線表面上から把持すると、アルミ層のみが把持され、中心の鋼線部に把持力が伝わらないため、専用の把持金具や工具が必要となり、工事期間が長くなり、また、専用の作業員が必要となる。
また、インバ電線は、通常電線の４倍と高額である。

【0006】

また、海外では、アルミ線と高強度アルミ線を複合撚りしたＡＣＡＲ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ａｌｌｏｙ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ）が採用されている。これは、鋼線を使用しないことによって、電線質量を軽量化することが可能になり、弛度を小さくすることができる。しかし、鋼線が入っていないため、送電線下の住宅火災や山火事などの際、火災の熱によりアルミ線が融点を超えて電線が断線してしまう。

【0007】

一方でカーボンナノチューブは、炭素によって作られるグラフェンシートが単層あるいは多層の同軸管状になった物質であり、超微細径、軽量性、高強度、高屈曲性、高電流密度、高熱伝導性、高電気伝導性を有する材料である。このカーボンナノチューブとアルミニウムの複合材料を線材にし、電線を構成する素線として用いる事が試みられている。

【0008】

例えば、金属粉体などからなる放電プラズマ焼結体を基材としており、単層または多層のグラフェンにより構成された極細のチューブ状構成体からなる繊維状炭素材料が前記基材中に分布して一体化されていることを特徴とする高熱伝導複合材料が開示されている（特許文献１を参照）。

【0009】

また、素線を構成する金属に、方向を揃えて埋め込んでなる複数のカーボンナノチューブを備えていることを特徴とする素線が開示されている（特許文献２を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】国際公開第２００６／１２０８０３号

【特許文献2】特開２００８−２７７０７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、線材でない。また、そのために組織に異方性がない。一般に、電気伝導線では長手方向と長手方向に垂直な方向とでは求められる機械強度が異なる。少ない添加量で長手方向と長手方向に垂直な方向とに対して、必要な強度、特に耐屈曲性を得るためには組織に異方性を持たせることが効果的である。特許文献１に記載の発明は、組織に異方性を付与することが容易ではない。

【0012】

また、特許文献２に記載の発明では、最終生成物における材料組織は、金属組織とカーボンナノチューブ組織とは別の組織であり、それらの別組織が単純に隣接して複合された構造となっている。そのため、カーボンナノチューブと金属との電気的接続や熱的接続が十分に確保できないという問題を抱えている。すなわち、特許文献２に記載の発明では、カーボンナノチューブの持つ優れた電気伝導性や熱伝導性を十分に生かすことができていなかった。

【0013】

さらに、特許文献１に記載の発明においては、金属組織に取り込まれたカーボンナノチューブ組織が複数のカーボンナノチューブが互いに絡まった状態となっている。そのため、カーボンナノチューブ自体は直径が細いものであっても、カーボンナノチューブ組織は数μｍのオーダーとなる。このオーダーの組織は、金属材料中で異物とみなされる。一般に金属に異物が存在すると、異物と金属材料の界面に応力集中が起こり異物を起点に割れが進行してしまう。すなわち、特許文献１に記載の発明は内部に多量の異物を含む組織構造となっている。そのため、塑性加工には不向きとなり、結果、特許文献１の手法ではカーボンナノチューブと金属と最適な構造に複合化することが困難となっていた。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることはカーボンナノチューブが分散されたアルミニウム材料であって、高い機械強度と優れた導電性を有する複合材料を用いた線材を撚り合わせてなる、低弛度増容量の複合電線を提供することである。

【0015】

すなわち、本発明は、以下の発明を提供するものである。
（１）複数本の素線を撚り合わせてなる複合電線であって、前記素線には、アルミニウム材料中にカーボンナノチューブが分散してなる複合材料を用いた線材を含み、前記線材が、カーボンナノチューブを含む隔壁部と、前記隔壁部に覆われ、アルミニウム材料と不可避不純物からなる隔壁内部と、を有するセルレーション構造を有し、前記線材において、前記カーボンナノチューブの前記アルミニウム材料に対する配合比が０．２重量％以上５重量％以下の範囲であり、前記線材の引張強さが、１５０ＭＰａ以上であり、前記線材の２９３Ｋでの線膨張係数が、１０×１０^−６／Ｋ以下であり、前記複合電線を構成する素線の全てが前記線材であるか、または前記複合電線の中心部に１本または複数本の鋼線を有することを特徴とする複合電線。
（２）前記線材において、前記線材の長手方向に垂直な断面では、類似のセルレーション構造が繰り返す構造を有しており、前記線材の前記隔壁内部の形状が、前記線材の長手方向に長く、前記線材の長手方向に垂直な方向には短い構造を有しており、少なくとも一部の前記隔壁部が、前記隔壁部の長手方向が前記複合線材の長手方向と略並行である略筒形状であることを特徴とする（１）に記載の複合電線。
（３）前記線材において、前記線材の前記隔壁内部の少なくとも一部が、複数の結晶粒を持つ多結晶状であることを特徴とする（１）または（２）に記載の複合電線。
（４）前記線材において、前記線材の前記隔壁部が、複数のカーボンナノチューブからなる織物状構造を有しており、前記織物状構造が前記隔壁内部由来のアルミニウム材料を内包しており、前記隔壁部を構成する各カーボンナノチューブが、前記隔壁内部の表面のアルミニウム材料に接すると同時に、別のカーボンナノチューブに接した状態であって、かつ、前記線材の長手方向に平行な断面と垂直な断面の双方に前記セルレーション構造を有することを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の複合電線。
（５）前記線材が、カーボンナノチューブを含み、前記セルレーション構造を有する芯部と、前記芯部よりもカーボンナノチューブの濃度が低いか、カーボンナノチューブを含まず、前記セルレーション構造を有しない外装部とを有することを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の複合電線。
（６）前記線材が、アルミニウム材料と不可避不純物からなり、前記セルレーション構造を有しない領域と、カーボンナノチューブを含み、前記セルレーション構造を有する領域と、を交互に同心円状に有することを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の複合電線。
（７）前記線材において、前記線材の前記隔壁部は、前記隔壁内部よりもカーボンナノチューブを多く含むことを特徴とする（１）から（６）のいずれかに記載の複合電線。
（８）前記線材において、前記線材の前記隔壁部の酸化アルミニウム濃度が前記隔壁内部の酸化アルミニウム濃度よりも高いことを特徴とする（１）から（７）のいずれかに記載の複合電線。
（９）前記線材において、前記線材の長手方向と垂直な断面において、前記セルレーション構造の複数の前記隔壁部が互いに接しており、前記線材の前記隔壁部の構造が、一部に直線を有する円または楕円形状、または複数の直線で構成される略多角形状を有し、前記線材の長手方向に垂直な断面では、類似のセルレーション構造が繰り返す構造を有することを特徴とする（１）から（８）のいずれかに記載の複合電線。
（１０）前記線材において、前記カーボンナノチューブに、前記カーボンナノチューブの長手方向に垂直な方向に応力が加えられ、前記カーボンナノチューブの長手方向に垂直な断面が変形しているか、前記カーボンナノチューブが折れ曲がるか、のいずれかまたは両方が引き起こされていることを特徴とする（１）から（９）のいずれかに記載の複合電線。
（１１）前記線材において、前記線材の前記隔壁部が、長さ１μｍ以下のカーボンナノチューブを含み、前記線材の複数の前記隔壁内部が、長さ１０μｍ以上のカーボンナノチューブで連結されていることを特徴とする（１）から（１０）のいずれかに記載の複合電線。
（１２）前記線材において、前記カーボンナノチューブが、長さ１μｍ以下のカーボンナノチューブと長さ１０μｍ以上のカーボンナノチューブを含み、長さ分布に１μｍ以下と、１０μｍ以上の二つのピークを持つことを特徴とする（１）から（１１）のいずれかに記載の複合電線。
（１３）前記素線が、アルミニウム線またはアルミニウム合金線のいずれか一方または両方と、前記線材との組み合わせであることを特徴とする（１）から（１２）のいずれかに記載の複合電線。
（１４）前記線材の引張り強度がアルミニウム以上であって、前記線材の電気伝導度がアルミニウムの電気伝導度の９０％以上であることを特徴とする（１）から（１３）のいずれかに記載の複合電線。
（１５）前記線材の線膨張係数が、アルミニウム以下であって、前記線材の電気伝導度がアルミニウムの電気伝導度の９０％以上であることを特徴とする（１）から（１４）のいずれかに記載の複合電線。
（１６）前記線材の溶融温度が、アルミニウム以上であって、前記線材の電気伝導度がアルミニウムの電気伝導度の９０％以上であることを特徴とする（１）から（１５）のいずれかに記載の複合電線。
（１７）（１）から（１６）のいずれかに記載の複合電線を樹脂で被覆したことを特徴とする複合電線。
（１８）エラストマーと、アルミニウム材料の粒子と、カーボンナノチューブと、を混合して混合物を得る工程（ａ）と、前記混合物を熱処理し、前記エラストマーを分解気化させて原材料を得る工程（ｂ）と、前記原材料を焼結し、ビレットを得る工程（ｃ）と、前記ビレットをダイスより引抜き、複合材料を用いた線材を得る工程（ｄ）と、前記線材を含む素線を撚り合わせる工程（ｅ）と、を含む、複合電線の製造方法。
（１９）エラストマーと、アルミニウム材料の粒子と、カーボンナノチューブと、を混合して混合物を得る工程（ａ）と、前記混合物を熱処理し、前記エラストマーを分解気化させて原材料を得る工程（ｂ）と、前記原材料を焼結し、ビレットを得る工程（ｃ）と、前記ビレットを熱間押出しし、複合材料を用いた線材を得る工程（ｄ）と、前記線材を含む素線を撚り合わせる工程（ｅ）と、を含む、複合電線の製造方法。
（２０）エラストマーと、アルミニウム材料の粒子と、カーボンナノチューブと、を混合して混合物を得る工程（ａ）と、前記混合物を熱処理し、前記エラストマーを分解気化させて原材料を得る工程（ｂ）と、前記原材料を焼結し、ビレットを得る工程（ｃ）と、前記ビレットを熱間押出しし、押出材を得る工程（ｄ）と、前記押出材をダイスより引抜き、複合材料を用いた線材を得る工程（ｅ）と、前記線材を含む素線を撚り合わせる工程（ｆ）と、を含む、複合電線の製造方法。

【発明の効果】

【0016】

本発明により、本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることはカーボンナノチューブが分散されたアルミニウム材料であって、高い機械強度と優れた導電性を有する複合材料を用いた線材を撚り合わせてなる、低弛度増容量の複合電線を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】（ａ）本発明に係る複合電線６１を示す図、（ｂ）本発明に係る複合電線６３を示す図、（ｃ）本発明に係る複合電線６７を示す図、（ｄ）本発明に係る複合電線６９を示す図。

【図2】（ａ）第１の実施の形態に係る線材１を示す図、（ｂ）他のセルレーション構造７ａを示す図。

【図3】押出加工による本発明に係る線材の製造方法を説明する図。

【図4】（ａ）押出加工に望ましいビレットの断面の模式図、（ｂ）押出加工に用いられるビレットの断面の模式図。

【図5】引抜き加工による本発明に係る線材の製造方法を説明する図。

【図6】第２の実施の形態に係る線材４１を示す図。

【図7】第３の実施の形態に係る線材４７を示す図。

【図8】第３の実施の形態の他の例に係る線材５３を示す図。

【図9】実施例１に係るビレットの断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像。

【図10】（ａ）実施例３に係る線材のＳＥＭ像、（ｂ）実施例３に係る線材の長手方向に垂直な断面でのＳＥＭ像、（ｃ）実施例３に係る線材のＳＥＭ像、（ｄ）実施例３に係る線材の長手方向に平行な断面でのＳＥＭ像。

【図11】（ａ）実施例３に係る線材の長手方向に垂直な断面での高倍率のＳＥＭ像、（ｂ）（ａ）のさらなる高倍率でのＳＥＭ像、（ｃ）（ａ）のさらなる高倍率でのＳＥＭ像。

【図12】（ａ）実施例３に係る線材の長手方向に平行な断面での高倍率のＳＥＭ像、（ｂ）（ａ）のさらなる高倍率でのＳＥＭ像、（ｃ）（ａ）のさらなる高倍率でのＳＥＭ像。

【図13】（ａ）実施例３に係る線材の走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）像、（ｂ）実施例３に係る線材の長手方向に垂直な断面でのＳＩＭ像。

【図14】（ａ）実施例３に係る線材のＳＩＭ像、（ｂ）実施例３に係る線材の長手方向に平行な断面でのＳＩＭ像。

【図15】（ａ）実施例３に係る線材の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像、（ｂ）（ａ）のさらなる高倍率でのＴＥＭ像、（ｃ）カーボンナノチューブの変形の模式図。

【図16】（ａ）実施例３に係る線材のＴＥＭ像、（ｂ）（ａ）のさらなる高倍率でのＴＥＭ像、（ｃ）（ｂ）のさらなる高倍率でのＴＥＭ像、（ｄ）カーボンナノチューブの折れ曲がりの模式図。

【図17】実施例１２，１３、比較例４、５にかかる電線の弛度張力特性。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、それぞれの図面は模式図であり、各構成要素の大きさを正確に表したものではない。

【0019】

（本発明に係る複合電線の構造）
本発明に係る複合電線６１について説明する。図１（ａ）に示す複合電線６１は、アルミニウム材料中にカーボンナノチューブが分散してなる複合材料を用いた線材１を撚り合わせてなる。なお、複合電線６１は、３７本の線材１のみを撚り合わせているが、撚り合わせる数は、用途に応じて適宜調整できる。

【0020】

このような複合電線６１によれば、従来のＡＣＳＲよりも軽量となり、また、最小引張荷重も従来のＡＣＳＲとほぼ同等以上の強度となる。強度が同等で電線が軽量であるため、低弛度で架線することができる。これにより、鉄塔高さを高くせずに電流容量を増加させることが可能となる。

【0021】

また、図１（ｂ）に示すように、亜鉛めっき鋼線６５を中心にし、複合材料を用いた線材１を３６本撚り合わせた複合電線６３として用いることもできる。
このような複合電線６３によれば、送電線の線下で山火事などが発生した場合は、送電線の温度が上昇した場合においても、撚り線の中心素線に亜鉛めっき鋼線を使用することで、線下火災においても撚り線が断線することを防止する。中心素線に亜鉛めっき鋼線を使用した場合においても電線質量の増加は小さく、既設ＡＣＳＲよりも低弛度で架線することが可能となる。なお、図１（ｃ）に示す複合電線６７のように、中心部に、撚り合わされた７本の亜鉛めっき鋼線６５を有してもよい。

【0022】

さらに、図１（ｄ）に示すように、複合材料を用いた線材１と、カーボンナノチューブを含まないアルミニウム合金線７１とを寄り合わせた複合電線６９として用いることもできる。
複合電線６９は、ＡＣＡＲのアルミ合金線および硬アルミ線の代わりまたは、アルミ合金線の代わりに複合材料を用いた線材１を用いることにより、ＡＣＡＲよりも低弛度、増容量を可能にすることができる。

【0023】

（本発明に係る複合材料を用いた線材）
線材１は、アルミニウム材料中にカーボンナノチューブが分散してなる複合材料を用いた線材であり、セルレーション構造７を有する。

【0024】

（セルレーション構造）
図２（ａ）に示すとおり、セルレーション構造７は、隔壁部５と隔壁内部３とを有する構造であり、隔壁部５はカーボンナノチューブを含み、隔壁内部３はアルミニウム材料と不可避不純物よりなる。なお、図２（ａ）中の矢印は、図２（ａ）の上半分の図が、図２（ａ）下半分の図に描かれた線材１の断面の一部を拡大した模式図であることを意味する。また、隔壁内部３の、線材１の長手方向に垂直な方向の大きさが５μｍ以下であり、おおむね０．３〜３μｍ程度である。なお、図面中では隔壁内部３の大きさを同一としているが、実際には様々な大きさの隔壁内部３を有していてもよい。また、図面中では７つの隔壁内部３のみを図示しているが、実際には多数の隔壁内部３と隔壁部５が存在し、長大なセルレーション構造７を形成している。セルレーション構造の隔壁部は結晶粒界と対応することがあるが、必ずしも全ての結晶粒界が隔壁部と対応しなくても良い。また、隔壁部を跨いで結晶粒界が構成されても良い。さらに、セルレーション構造の内部あるいは外部に、結晶粒界が存在していても良い。また、図２（ｂ）に示すセルレーション構造７ａのように、一部の隔壁内部３が複数の結晶粒８で構成されてもよい。隔壁内部３の結晶粒８は、焼結前のアルミニウム材料粒子が多結晶の粒子である場合に、その結晶構造に由来して生じたり、加工中に生じたりする。結晶粒８の間の粒界には、カーボンナノチューブがほとんど含まれない。

【0025】

セルレーション構造７は、直径１〜１００μｍで、表面にカーボンナノチューブが付着したアルミニウム材料粒子を、焼結することにより得られる。各隔壁内部３は、焼結前のアルミニウム材料粒子に由来し、隔壁部５は、焼結前のアルミニウム材料粒子の表面に由来する。

【0026】

線材１の長手方向に垂直な断面では、類似のセルレーション構造７が繰り返す構造を有していることが好ましい。また、隔壁内部３が、長手方向に長く、長手方向に垂直な方向には短い、高いアスペクト比を有していることが好ましい。例えば、隔壁内部３の長手方向の長さは、長手方向に垂直な方向の長さより長いことが望ましく、さらに１００倍程度長いことが好ましい。なお、隔壁部５が、前記隔壁部の長手方向が前記線材の長手方向と略並行である略筒形状であることが好ましく、さらに、隔壁部５が、線材１の長手方向に開口部を有していてもよい。線材１の線引きなどの加工時に、隔壁部５も引き伸ばされ、開口部が生じる可能性があるためである。また、セルレーション構造の内部あるいは外部に、結晶粒界が存在していても良い。線材１の線引きなどの加工時に、結晶粒の微細化が起こるためである。また，隔壁部を跨いで結晶粒界が構成されても良い。線材１の焼きなましなどの加工時に、結晶が成長して、隔壁部を結晶粒界が跨ぐことがあるためである。

【0027】

（織物状構造）
隔壁部５は、複数のカーボンナノチューブからなる織物状構造を有しており、織物状構造が隔壁内部３に由来するアルミニウム材料を内包しており、隔壁部５を構成する各カーボンナノチューブがアルミニウム材料と接すると同時に、別のカーボンナノチューブと接した状態であって、かつ、線材の長手方向に平行な断面と垂直な断面の双方に前記セルレーション構造を有する３次元のセルレーション構造を形成する。また、前記線材の長手方向に平行な断面を観察すると、アルミニウム材料中の不可避不純物の、線引き時に生じた流動跡が残存することがある。

【0028】

また、隔壁部５を構成するカーボンナノチューブに、長手方向に垂直な方向（短手方向とも呼ばれる）に応力が加えられ、カーボンナノチューブの長手方向に垂直な断面が変形しているか、カーボンナノチューブが折れ曲がるか、のいずれかまたは両方が引き起こされていることが好ましい。カーボンナノチューブに、長手方向のみに引張応力が加えられる状態では、カーボンナノチューブが多層である場合、最外層のカーボンナノチューブのみが引っ張りに抗するだけである。一方、カーボンナノチューブの短手方向に応力が加えられ、さらに短手方向の断面が変形したり、カーボンナノチューブが折れ曲がっている場合、カーボンナノチューブの長手方向に引張応力が加えられると、最外層より内側の層のカーボンナノチューブにも応力が加えられているため、これらのカーボンナノチューブが引っ張りに抗することとなり、線材の引張強度が上昇する。

【0029】

（隔壁部の酸化アルミニウム）
隔壁部５の酸化アルミニウム濃度は、隔壁内部３の酸化アルミニウム濃度よりも高い。これは、隔壁部５は、焼結前にはアルミニウム材料粒子の表面であったため、アルミニウム材料の酸化膜に由来する酸化アルミニウムが含まれるためである。

【0030】

線材１の長手方向と垂直な断面において、セルレーション構造７の複数の隔壁部５が互いに接しており、隔壁部５の構造が、一部に直線を有する円または楕円形状、長さの異なる複数の直線で構成される略多角形状、または長さがほぼ同一の直線で構成される略多角形状を有することが観察される。これは、アルミニウム材料粒子の焼結時に、アルミニウム材料が軟化し、接する粒子同士の隙間を埋めるようにアルミニウム材料粒子が変形したことに由来する。
また、線材１の長手方向に垂直な断面は、類似のセルレーション構造が繰り返す構造であるフラクタル的な特徴を有する。

【0031】

（セルレーション構造を含むビレットの製造方法）
本発明に係る線材１は、セルレーション構造を含むビレットを線材に加工することで得られる。ビレットの製造方法には、エラストマーと、アルミニウム材料の粒子と、カーボンナノチューブと、を混合して混合物を得る工程（ａ）と、前記混合物を熱処理し、前記エラストマーを分解気化させて原材料を得る工程（ｂ）と、前記原材料を焼結し、ビレットを得る工程（ｃ）と、を有する。

【0032】

まずエラストマーと、アルミニウム材料の粒子と、カーボンナノチューブと、を混合して混合物を得る工程（ａ）では、エラストマーに、アルミニウム材料の粒子とカーボンナノチューブを混ぜ合わせる。エラストマーに混合する方法は、特に限定されないが、カレンダーロール混合、バンバリーミキサー混合などを使用することができる。エラストマー１００質量部あたり、アルミニウム材料を２００〜１０００質量部、カーボンナノチューブを０．４〜５０質量部加えることが好ましく、特に、エラストマー１００質量部あたり、アルミニウム材料を５００質量部、カーボンナノチューブを２５質量部加えることが好ましい。なお、カーボンナノチューブの量は、アルミニウム材料の量に対して０．２〜５重量％の範囲にあることが好ましい。なお、カーボンナノチューブの量が、アルミニウム材料の量に対して１重量％であるとは、アルミニウム材料１００質量部に対して、加えられたカーボンナノチューブの量が１質量部であることをいう。

【0033】

次にエラストマーを分解気化させて原材料を得る工程（ｂ）では、この混合物をアルゴンガス雰囲気の炉内で熱処理を行い、原材料を得る。熱処理の温度と時間は、使用するエラストマーが分解される温度と時間であればよい。例えば、エラストマーとして天然ゴムを使用した場合は、５００℃〜５５０℃で２〜３時間程度が好ましい。また、ここでは不活性ガスとしてアルゴンガスを使用したが、窒素ガスや他の希ガスであってもよい。

【0034】

さらに、原材料を焼結し、ビレットを得る工程（ｃ）では、プラズマによって焼結し、ビレットを得る。原材料を、アルミニウム製の容器に入れ、アルミニウム製の容器と原材料に一緒にプラズマを発生させ、両者ともに焼結することが好ましい。また、焼結は、スパークプラズマ焼結法を使用することが好ましく、最高温度６００℃、焼結時間２０分、圧力５０ＭＰａ、昇温レート４０℃／ｍｉｎのプラズマ焼結を行なうことが好ましい。

【0035】

（エラストマー）
まず、エラストマーについて説明する。エラストマーは、室温でゴム弾性を有する、天然ゴム、合成ゴム、熱可塑性エラストマーから選択することができ、工程（ｂ）において熱処理によりエラストマーを分解気化するためには未架橋のまま用いることが好ましい。エラストマーは、重量分子量が好ましくは５０００〜５００万、さらに好ましくは２万〜３００万であり、エラストマーの分子量の範囲は狭いほうがカーボンナノチューブの均一な分散状態が得られるためにより好ましい。エラストマーの分子量がこの範囲であると、エラストマー分子が互いに絡み合い、相互につながっているので、エラストマーは、カーボンナノチューブを分散させるために良好な弾性を有している。エラストマーは、粘性を有しているので凝集したカーボンナノチューブの間に侵入しやすく、さらに弾性を有することによってカーボンナノチューブ同士を分離することができるため好ましい。

【0036】

エラストマーとしては、天然ゴム（ＮＲ）、エポキシ化天然ゴム（ＥＮＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ，ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、クロロブチルゴム（ＣＩＩＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、エポキシ化ブタジエンゴム（ＥＢＲ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＣＥＯ）、ウレタンゴム（Ｕ）、ポリスルフィドゴム（Ｔ）などのエラストマー類、オレフィン系（ＴＰＯ）、ポリ塩化ビニル系（ＴＰＶＣ）、ポリエステル系（ＴＰＥＥ）、ポリウレタン系（ＴＰＵ）、ポリアミド系（ＴＰＥＡ）、スチレン系（ＳＢＳ）、などの熱可塑性エラストマー、およびこれらの混合物を用いることができる。

【0037】

（アルミニウム材料の粒子）
アルミニウム材料の粒子は、カーボンナノチューブの少なくとも一部がアルミニウム材料中に入り込むことでカーボンナノチューブの移動を制限することができる。また、アルミニウム材料の粒子を工程（ａ）においてエラストマー中に混合し分散させておくことで、カーボンナノチューブを混合するときにカーボンナノチューブをさらに良好に分散させることができる。アルミニウム材料の粒子は、使用するカーボンナノチューブの平均直径よりも大きい平均粒径であることが好ましい。例えば、アルミニウム材料の粒子の平均粒径は１μｍ〜１００μｍ、好ましくは１０μｍ〜５０μｍであることができる。なお、アルミニウム材料の粒子の平均粒径は、市販の場合はメーカの公表する粒径であってもよいし、光学顕微鏡や電子顕微鏡による粒径の実測値の個数平均径でもよい。

【0038】

アルミニウム材料としては、純アルミニウムまたはアルミニウム合金を使用する。特に、強度と導電性をともに向上させるには、アルミニウム材料としては、純アルミニウム系のＪＩＳ Ａ１０７０合金、ＪＩＳ Ａ１０５０合金またはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のＪＩＳ Ａ６１０１合金であることが好ましい。また、通常、原料アルミニウム地金中には、不可避的不純物としてＦｅとＳｉが含まれているが、アルミニウム材料中には、製造工程上不可避的に混入するその他の不可避不純物が含まれていてもよい。その他の不可避不純物には、製造工程時にアルミニウム材料が自然に酸化して生成される酸化アルミニウムが含まれる。

【0039】

（カーボンナノチューブ）
カーボンナノチューブは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造を有する。すなわち、カーボンナノチューブは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。

【0040】

カーボンナノチューブは、平均直径が０．５〜５０ｎｍであることが好ましい。さらに、カーボンナノチューブは、直線状であっても、湾曲状であってもよく、平均直径は電子顕微鏡による径の実測値を平均して求めることができる。カーボンナノチューブの配合量は、特に限定されず、用途に応じて設定できる。本発明に係る線材は、カーボンナノチューブをアルミニウム材料に対して０．２〜５重量％の割合で含む。

【0041】

単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得る方法である。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するススから得られる。レーザーアブレーション法は、希ガス（例えばアルゴン）中で、ターゲットであるニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面に、ＹＡＧレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面を溶融・蒸発させて、単層カーボンナノチューブを得る方法である。気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、より具体的には、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などが例示できる。カーボンナノチューブは、エラストマーと混練される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。

【0042】

また、カーボンナノチューブが、長さ１μｍ以下のカーボンナノチューブと長さ１０μｍ以上のカーボンナノチューブを含み、長さ分布に１μｍ以下の領域と１０μｍ以上の領域の両方にピークを持つことが好ましい。長さ１μｍ以下のカーボンナノチューブは、隔壁部５の内部に取り込まれやすく、隔壁部５の形成に使用される。一方、長さ１０μｍ以上のカーボンナノチューブは、隔壁部５の厚さより長く、隣接する隔壁内部３の間にわたって存在し、複数の隔壁内部３同士を連結し、セルレーション構造７の引張強さをはじめとする機械強度を高めることができる。

【0043】

つまり、本発明におけるセルレーション構造７では、隔壁部５が短尺のカーボンナノチューブを含み、複数の隔壁内部３が長尺のカーボンナノチューブで連結されていることが好ましい。

【0044】

また、カーボンナノチューブが、断面が同心円状のダブルウオールカーボンナノチューブまたは、断面が押しつぶされたように変形したダブルウオールカーボンナノチューブを含んでもよい。ダブルウオールカーボンナノチューブとは、二層カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴ）のことである。

【0045】

（ビレットから線材への加工方法）
一般的な線引き加工には、固体状態での加工（塑性加工）を行うことができる。さらに、塑性加工としては、押出加工、圧延加工、引抜き加工などが適用でき、必要に応じてこれらの加工方法を組み合わせることができる。

【0046】

本発明に係る線材は、セルレーション構造を有するため、引張り試験を行うと、隔壁内部３の間にクラックが生じても、隔壁部５に存在するカーボンナノチューブが隔壁内部３同士を連結しているため、カーボンナノチューブが隔壁内部３より引き抜かれるまでは、材料の破断とはならないと考えられる。つまり、材料を破断させるためには、カーボンナノチューブを引き抜く余分な力が必要になり、この余分な力が見かけの引張り強度の増大としてあらわれると考えられる。また、カーボンナノチューブ自体は塑性変形をしにくいので、ビレットの変形に伴い、カーボンナノチューブは弾性変形を伴いながら、アルミニウム材料中を移動する。

【0047】

（押出加工による線材の製造方法）
押出加工による線材の製造方法は、図３に示すように、ビレット１３をコンテナ１５の中に入れ、押棒１７によってビレット１３に圧力を加えてダイス１９から押し出すことにより、線材１を得る方法である。ダイス１９には、入口が太く、出口が細いオープニングと称する開口部を持ち、ダイス１９の出口側の寸法が線材１の寸法に等しくなる。また、ビレット１３に大きな張力がかかるため、線材１を破断させないために一回の加工で可能な断面積減少は小さいものとすることができる。そのため、細い線材を得るに際しては１回から数回に渡り繰り返し押出を行い、太いビレットを徐々に細く加工していく方法をとることが好ましい。また、ビレット１３を５００℃程度まで加熱して熱間による押出加工を行ってもよい。通常は、変形抵抗を低下させ、ビレットを加熱して材料の変形能を向上させることが可能な熱間押出を行う。

【0048】

ここで、押出加工に使用するビレットは、図４（ｂ）に示すように、ビレット１３の外周部をアルミニウム材料製の被覆部２１で被覆するだけでなく、図４（ａ）に示すように、ビレット１３の先後端面に、アルミニウム材料製の蓋部２３を溶接により設けたものが望ましい。このように、押出加工用のビレット１３の先後端にアルミニウム材料からなる蓋部２３を設けることで、押出材の先端がダイスのオープニングから出るときに、線材のメタルフローの不均一が原因で発生する隔壁部とアルミニウム材料の界面に作用する付加的せん断応力による割れを防止することができる。

【0049】

なお、押出ビレットは、ＪＩＳ Ａ６１０１合金を用いて、押出加工前にビレットの組織を均一にするための均質化処理を行なった後に、押出加工を行なう。ＪＩＳ Ａ６１０１合金などの材料の場合には均質化処理を行なう必要がある。均質化処理条件としては、５３０〜５６０℃×６時間程度のものを行なう必要がある。又は、比較的メタルフローが安定しやすい間接押出法などを用いることができる。

【0050】

また、押出加工に代えて熱間鍛造加工を行なうこともできる。熱間鍛造加工を行なう時のビレットの加熱温度は、押出温度とほぼ同様であるが、鍛造加工の場合の１回の加工度を大きくすると割れが発生するので、繰り返して鍛造を行い、ビレット断面積を小さくする。

【0051】

（引抜き加工による線材の製造方法）
引抜き加工による線材の製造方法は、図５に示すように、ダイス１９にビレット１３を押し当て、ダイス１９の穴からビレット１３を引き抜くことで線材１を得る方法である。線材１をドラム（図示せず）などに巻き取ることで、ビレット１３を引き抜く。押出加工と同様、一回の引抜き加工での断面積減少には限界があるため、細い線材を得るには、引抜きの加工度を低く抑えて、引抜き加工を繰り返し行うことが好ましい。引抜き加工を繰り返して行うには、引抜き加工と引抜き加工の間に中間焼鈍と呼ばれる熱処理を行なって加工歪を除去することが望ましい。引抜きに際しては、例えば、ダイス１９に超鋼ダイスを用いると同時に、粘度数千から２００００ｃｓｔ（４０℃）の高粘度の鉱物油を潤滑剤として使用して引抜きを行なうことができるが、さらに、これに二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤やオレイン酸やステアリン酸などの油性向上剤を加えて潤滑性を向上させることができる。また、ステアリン酸カルシウムなどの金属石鹸を使用することも可能である。

【0052】

（各種加工を組み合わせた線材の製造法）
線材の製造においては、押出し、圧延、引抜きなどの加工を組み合わせて行うこともできる。一般的には、当初ビレットからの加工は、熱間押出が加工度を大きく取れることから最も望ましく、熱間押出で、小径化した後、その後に圧延、引抜きによる加工を行うのが望ましいが、場合によっては、押出を行わずに、熱間圧延又は冷間圧延を行った後に、引抜き加工を行っても良い。熱間押出後に、圧延を行う場合には既に線材の外周部はアルミニウム材料により被覆されているので、そのまま圧延を行うことができる。このとき、熱間押出により、十分加工組織が発達していれば、熱間圧延の代わりに冷間圧延を行なうことができる場合もある。熱間押出後の材料は、その後の圧延、引抜き工程に回すに際して、ビレットの先後端の蓋部とメタルフローの不安定な先端の蓋部近傍を切断して、線材断面が均一な部分のみを用いて、圧延、引抜を行なう必要がある。
なお、熱間押出の変わりに、熱間鍛造を複数回行なった後、圧延、引抜を行なうこともできる。

【0053】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図６は、第２の実施形態にかかる、線材４１を示す図である。以下の実施形態で第１の実施形態と同一の様態を果たす要素には同一の番号を付し、重複した説明は避ける。なお、図６中の矢印は、図６の下半分に描かれた芯部４３の断面の一部を拡大した模式図が図６の上半分であることを意味する。

【0054】

線材４１は、カーボンナノチューブを含み、セルレーション構造７を有する芯部４３と、芯部４３よりはカーボンナノチューブの濃度が低いか、カーボンナノチューブを全く含まず、前記セルレーション構造７を有しない外装部４５とを有する。

【0055】

線材４１において、芯部４３は、セルレーション構造を有するため、線引きされにくく、外装部４５は、セルレーション構造を有しないため、線引きされやすい。加工工具との摩擦力を受ける外装部にはセルレーション構造を有さない加工性に優れるアルミニウム材料で覆うほうが望ましい。そのため、線引き時には線材断面の外側から内側へ向かう中心方向の圧縮応力だけでなくせん断応力の成分が生じる。そのため、線材に線材の軸方向の力を加えた場合でも、局部的には線材の軸方向と垂直な方向の成分の力やせん断応力が生じる。そのため、線材４１は、塑性加工に適している。

【0056】

線材４１は、外側にアルミの領域を持つ焼結体を塑性加工して得られる。このような焼結体は、カーボンナノチューブに包まれたアルミ粒子である、熱処理後の原材料を、アルミニウム材料粒子が既に入っているアルミ製の容器に加え、アルミ製の容器ごと焼結を行うことで得ることができる。アルミ製の容器内のアルミニウム材料粒子は、原材料の周囲を覆うように、アルミ製の容器の内壁に沿うように詰められている。このようにすることで、カーボンナノチューブを含む領域の周囲を、カーボンナノチューブをほとんど含まない領域で覆った構造を有するビレットを得ることができる。この様なビレットを、特に、圧延加工による線材の製造方法を用いることで、線材４１の製造をすることができる。さらに作製したビレットに対して熱処理又は加工熱処理を加えることができる。

【0057】

また、第２の実施形態の他の例として、線材４１を、カーボンナノチューブを含み、セルレーション構造を有するアルミニウム材料でさらに被覆してもよい。これにより、セルレーション構造７を有する領域と、セルレーション構造７を有しない領域とを、交互に同心円状に有する線材を得ることができる。

【0058】

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図７は、第３の実施形態に係る線材４７を示す図である。なお、図７中の矢印は、図７の下半分に描かれた外装部５１の断面の一部を拡大した模式図が図７の上半分であることを意味する。
線材４７は、カーボンナノチューブを含み、セルレーション構造７を有する外装部５１と、外装部５１よりもカーボンナノチューブの濃度が低いかカーボンナノチューブを含まず、セルレーション構造７を有しない芯部４９と、を有する。

【0059】

また、第３の実施形態の他の例として、図８に示す線材５３のように、外装部５１の周囲をさらに被覆部５５で被覆してもよい。被覆部５５はセルレーション構造を有しないアルミニウム材料である。これにより、線材５３は、セルレーション構造７を有しない領域と、セルレーション構造７を有する領域とを、交互に同心円状に有する。被覆部５５はアルミニウムの蒸着により作製することができる。さらに作製した同心円構造体に対して熱処理又は加工熱処理を加える鍛造処理を加えてもよい。

【0060】

（本発明に係る線材の特徴）
本発明に係る線材は、基材となるアルミニウムが純アルミニウムの場合は、破断強度、圧縮強度、引張強度、線膨脹係数、溶融温度、屈曲強度が純アルミニウム以上であり、電気伝導度が純アルミニウムの電気伝導度の９０％以上であることが好ましい。つまり、線材は、引張り強度が７０ＭＰａ以上であり、線膨脹係数が、２４×１０^−６／℃（２０℃〜１００℃）以下、溶融温度が６５０℃以上であることが好ましい。また、線材の電気伝導度は、５６ＩＡＣＳ％以上であることが好ましい。基材となるアルミニウムがＳｉやＭｇを含むアルミニウム合金の場合は、比較対象はこれらのアルミニウム合金となるが、その他の条件は同様である。

【0061】

さらに、電線としての用途を考えると、本発明にかかる線材の引張強さが１５０ＭＰａ以上であり、２９３Ｋでの線膨張係数が、１０×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましく、引張り強度が２００〜６００ＭＰａであることがより好ましい。

【0062】

また、本発明に係る線材に含まれるカーボンナノチューブの長手方向長さが、線材の直径の１０００分の１以下であることが好ましい。

【0063】

また、隔壁内部３の長手方向長さが、線材の直径の１０００分の１以下であることが好ましい。隔壁内部３の大きさが大きすぎると、線材の長手方向に垂直な方向に、十分な数の隔壁内部３を配置することができず、セルレーション構造を形成できないからである。

【0064】

また、線材１の直径が５０μｍ以上１ｃｍ以下であって、長さ／直径の比が１００以上であることが好ましい。

【0065】

なお、線材１の表面をアルミニウム以外の金属でめっきしてもよい。線材１の表面に施すめっきは、溶融めっき、電解めっき法、蒸着などのいずれの方法で行われても良い。

【0066】

また、線材１を素線として用いた複合電線６１、６３、６７、６９を、更に樹脂で被覆してもよい。

【0067】

以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【実施例】

【0068】

以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）セルレーション構造を有するビレットの作製
工程（ａ）：ロール径が６インチのオープンロール（ロール温度１０〜２０℃）に、１００ｇの天然ゴム（１００質量部）を投入して、ロールに巻き付かせた。ロールに巻きついた天然ゴムに対して金属粒子としてのアルミニウム粒子（５００質量部）を投入し、混練した。このとき、ロール間隙を１．５ｍｍとした。さらに、２５質量部（アルミニウム材料に対して５重量％）のカーボンナノチューブをオープンロールに投入した。混合物をロールから取り出し、エラストマーとアルミニウム材料粉末とカーボンナノチューブの混合物を得た。

【0069】

なお、実施例１において、エラストマーとして天然ゴムを、アルミニウム材料粉末として平均粒径５０μｍの純アルミニウム（ＪＩＳ Ａ１０５０）の粒子を、カーボンナノチューブとしてＩＬＪＩＮ社製の平均直径が１３ｎｍの多層カーボンナノチューブを用いた。

【0070】

工程（ｂ）：工程（ａ）で得られた混合物を窒素雰囲気の炉内に配置し、エラストマーの分解気化温度以上（５００℃）で２時間熱処理して、エラストマーを分解気化させ、多孔質体の原材料を得た。

【0071】

工程（ｃ）：工程（ｂ）で得られた原材料を直径４０ｍｍの円筒形状のアルミニウム製の缶に入れ、缶ごとスパークプラズマ焼結を行った。焼結は、最高温度が６００℃、焼結時間２０分、圧力５０ＭＰａ、昇温レートは４０℃／ｍｉｎとした。焼結により、直径４０ｍｍの円柱状のビレットを得た。

【0072】

こうして得られたビレットの断面を、機械研磨を行い、さらに４００Ｖのアルゴンプラズマで２０分間エッチングした表面を、電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した像を図９に示す。エッチングにおいて、カーボンナノチューブを含む硬い部分が残り、カーボンナノチューブを含まない柔らかい部分が削られるため、図９において、色の薄い部分（凸部）が隔壁部５に対応し、色の濃い部分が隔壁内部３に対応する。実施例１に係るビレットが、セルレーション構造７を有することがわかる。

【0073】

また、得られた直径４０ｍｍの円柱状のビレットを押出して、直径１０ｍｍの線材を得た後、これをＶ溝ロールにて圧延を行い、５００℃×１２０分で焼鈍を行い、５ｍｍの線材を得た後、引抜きにより所定寸法（２ｍｍ）の線材を得た。

【0074】

（実施例２）
さらに、アルミニウム材料粉末として平均粒径５０μｍのアルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ６１０１相当）の粒子を用いる以外は、実施例１と同じ工程で、線材を得た。

【0075】

（線材の評価）
線材の引張強度は、線径２ｍｍの線材の引張強度をＪＩＳ Ｚ２２４１に準じてｎ＝３で測定し、その平均値を求めた。

【0076】

線材の導電性については、線径２ｍｍの線材を２０℃（±０．５℃）に保った恒温漕中で、四端子法を用い、その比抵抗を計測して導電率を算出した。なお、端子間距離は１００ｍｍとした。

【0077】

線材の特性を、表１にまとめた。また、比較例１，２として、ＪＩＳ Ａ １０５０−ＯとＪＩＳ Ａ ６１０１−Ｔ６の引張り強度と導電率を、アルミニウム材料特性データベース（社団法人日本アルミニウム協会提供 http://metal.matdb.jp/JAA-DB/AL00S0001.cfm）より引用した。

【0078】

【表1】

【0079】

表１に示すように、実施例１については、比較例１のＪＩＳ Ａ １０５０−Ｏよりも、引張り強度と導電性が高い。
また、実施例２については、比較例２のＪＩＳ Ａ ６１０１−Ｔ６よりも、引張り強度と導電性が高い。
これらのことより、本発明に係る線材は、高い引張り強度と高い導電率を実現する材料であることがわかる。

【0080】

（実施例３）
工程（ａ）：ロール径が６インチのオープンロール（ロール温度１０〜２０℃）に、１００ｇの天然ゴム（１００質量部）を投入して、ロールに巻き付かせた。ロールに巻きついた天然ゴムに対して金属粒子としてのアルミニウム粒子（５００質量部）を投入し、混練した。このとき、ロール間隙を１．５ｍｍとした。さらに、５質量部（アルミニウム材料に対して１重量％）のカーボンナノチューブをオープンロールに投入した。混合物をロールから取り出し、エラストマーとアルミニウム材料粉末とカーボンナノチューブの混合物を得た。

【0081】

なお、実施例１において、エラストマーとして天然ゴムを、アルミニウム材料粉末としてアトマイズ法で作製した粒子を、カーボンナノチューブとして保土谷化学社製の平均直径が５５ｎｍ、長さが２０μｍの多層カーボンナノチューブを用いた。

【0082】

工程（ｂ）：工程（ａ）で得られた混合物を窒素雰囲気の炉内に配置し、エラストマーの分解気化温度以上（５００℃）で２時間熱処理して、エラストマーを分解気化させ、多孔質体の原材料を得た。

【0083】

工程（ｃ）：工程（ｂ）で得られた原材料を直径４０ｍｍの円筒形状のアルミニウム製の缶に入れ、缶ごとスパークプラズマ焼結を行った。焼結は、最高温度が６００℃、焼結時間２０分、圧力５０ＭＰａ、昇温レートは４０℃／ｍｉｎとした。焼結により、直径４０ｍｍの円柱状のビレットを得た。

【0084】

また、得られた直径４０ｍｍの円柱状のビレットを押出して、直径１０ｍｍの線材を得た後、これをＶ溝ロールにて圧延を行い、５００℃×１２０分で焼鈍を行ない、５ｍｍの線材を得た後、冷間引抜きにより所定寸法（２ｍｍ）の線材を得た。

【0085】

その後、実施例１と同様に線材の引張強度を求めた。

【0086】

（実施例４、５）
カーボンナノチューブを１５質量部（アルミニウム材料に対して３重量％）、２５質量部（アルミニウム材料に対して５重量％）を加える以外は実施例３と同様にして、線材を得た。

【0087】

（実施例６）
カーボンナノチューブとして、トーマススワン社製の平均直径が２ｎｍ、長さが１．９μｍの多層カーボンナノチューブを用いた以外は実施例３と同様にして線材を得た。なお、カーボンナノチューブは工程（ａ）の前に、分散処理が施されている。

【0088】

（実施例７、８）
カーボンナノチューブを１５質量部、２５質量部を加える以外は実施例６と同様にして、線材を得た。

【0089】

（実施例９）
カーボンナノチューブを工程（ａ）の前に、分散処理を施さない点を除いて、実施例６と同様にして線材を得た。

【0090】

（実施例１０、１１）
カーボンナノチューブを１５質量部、２５質量部を加える以外は実施例９と同様にして、線材を得た。

【0091】

線材の特性を、表２にまとめた。また、比較例３として、電気用硬アルミニウム線（ＪＩＳ Ｃ ３１０８）の引張り強度を引用した。

【0092】

【表2】

【0093】

表２に示すように、従来の硬アルミニウム線の１．５〜３倍の引張り強度の線材を得ることができた。

【0094】

また、実施例１１に係る線材の２９３Ｋでの線膨張係数を求めると、２．２×１０^−６／Ｋであり、アルミニウムの線膨張係数の１０分の１であった。

【0095】

実施例３に係る線材を、収束イオンビームにより一部を切削加工し、断面をＳＥＭにて観察した像を図１０〜図１２に示す。観察傾斜は５５°、加速電圧は３ｋＶである。図１０（ａ）は、低倍率での像であり、図１０（ｂ）は、線材の長手方向に垂直な断面を高倍率で観察した像である。また、図１０（ｃ）は、低倍率での像であり、図１０（ｄ）は、線材の長手方向と平行な断面を高倍率で観察した像である。

【0096】

さらに、図１０（ｂ）を拡大した像を、図１１（ａ）に示し、図１１（ａ）において四角で囲った箇所を拡大して観察した像を図１１（ｂ）、（ｃ）に示す。図１１（ａ）において、直径約０．３〜３μｍの結晶粒が多数集まっていることが分かり、セルレーション構造が観察された。図１１（ｂ）、（ｃ）において、黒く見える箇所は、カーボンナノチューブが凝集している箇所である。

【0097】

また、図１０（ｄ）を拡大した像を、図１２（ａ）に示し、図１２（ａ）において四角で囲った箇所を拡大して観察した像を図１２（ｂ）、（ｃ）に示す。図１２（ａ）において、長さ１０〜３０μｍの結晶粒が観察され、図１０（ａ）の観察結果と合わせて、直径０．３〜３μｍ、長さ１０〜３０μｍ程度の円柱状のアルミ合金が多数集まって線材を形成していることがわかる。図１２（ｂ）、（ｃ）において、黒く見える箇所は、カーボンナノチューブが凝集している箇所である。

【0098】

実施例３に係る線材の、図１０と同一の観察箇所の、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ： Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像を図１３と図１４に示す。図１３（ａ）は低倍率の像であり、図１３（ｂ）は、線材の長手方向に垂直な断面を高倍率で観察した像である。また、図１４（ａ）は低倍率の像であり、図１４（ｂ）は、線材の長手方向に平行な断面を高倍率で観察した像である。ＳＥＭに比べて、ＳＩＭはごく表面の構造のみを観察できる（表面から数十ｎｍの厚さの構造由来の二次電子を観測している）ため、線材の断面の表面のセルレーション構造がよく観察される。

【0099】

実施例３に係る線材を、ＴＥＭにて観察した結果を図１５と図１６に示す。図１５（ｂ）において、本来は円状であるＣＮＴの断面が、図１５（ｃ）に示すような三角形状に変形していることが観察される。また、図１６（ａ）の一部を拡大した像が図１６（ｂ）であり、さらに拡大した像が図１６（ｃ）である。図１６（ｃ）において、折れ曲がったカーボンナノチューブが観察される。図１６（ｄ）は、カーボンナノチューブの折れ曲がりの模式図である。このように、断面が三角形状に変形したり、折れ曲がったりするほど、カーボンナノチューブの短手方向に応力が加えられる場合、カーボンナノチューブの長手方向に引張応力が加えられると、最外層より内側の層のカーボンナノチューブが引っ張りに抗することとなり、線材の引張強度が上昇する。

【0100】

（実施例１２）
実施例１１と同様の方法で得た直径２．６ｍｍの複合材料を用いた線材を、３７本撚り合わせ、電線を作製した。実施の形態における複合電線６１に対応する。

【0101】

（実施例１３）
１本の亜鉛めっき鋼線を中心として、実施例１１と同様の方法で得た直径２．６ｍｍの複合材料を用いた線材を３６本撚り合せ、電線を作製した。実施の形態における複合電線６３に対応する。

【0102】

実施例１２と１３にかかる電線の最小引張荷重、質量と電気抵抗と弾性係数と線膨張係数を測定した。測定結果を表３に示す。なお、比較例４と５として一般的なＡＣＳＲとＺＴＡＣＩＲを用いた。また、各電線の弛度特性を図１７に示す。

【0103】

【表3】

【0104】

表３に示すとおり、複合材料を用いた線材を３７本用いた実施例１２に係る複合電線は、比較例４に係る従来のＡＣＳＲよりも軽量となり、最小引張荷重もほぼ同等以上の強度となる。強度が同等で電線が軽量となるため、低弛度で架線することができる。これにより、鉄塔高さを高くせずに電流容量を増加させることが可能となる。弛度特性を見ると、線膨張係数が通常のアルミ線の１／１０であるため、温度上昇時の弛度増加が小さく、比較例４の従来のＡＣＳＲや、比較例５のインバ電線（ＺＴＡＣＩＲ）と比較して、高温度域でも６０％程度の弛度となる。

【0105】

送電線の線下で山火事などが発生した場合は、送電線の温度が上昇し、アルミ線は断線する可能性がある。このため、実施例１３に係る複合電線は、撚り線の中心素線に亜鉛めっき鋼線を使用することで、線下火災においても撚り線が断線することを防止することができる。表３に示すとおり、電線質量は、比較例４の従来のＡＣＳＲよりも軽く、引張荷重は強い。弛度特性は、実施例１２よりは若干劣るものの、ＡＣＳＲやインバ電線(ＺＴＡＣＩＲ)の６０％近くの低弛度で架線することが可能となる。

【符号の説明】

【0106】

１………アルミニウム材料中にカーボンナノチューブが分散してなる複合材料を用いた線材
３………隔壁内部
５………隔壁部
７………セルレーション構造
８………結晶粒
１３………ビレット
１５………コンテナ
１７………押棒
１９………ダイス
２１………被覆部
２３………蓋部
４１………線材
４３………芯部
４５………外装部
４７………線材
４９………芯部
５１………外装部
５３………線材
５５………被覆部
６１………複合電線
６３………複合電線
６５………鋼線
６７………複合電線
６９………複合電線
７１………アルミニウム合金線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】