1前言
    近年，人們期待超精加工技術(shù)成為可以給未來社會(huì)帶來巨大影響的技術(shù)，作為納米材料的一種，納米碳素材料受到巨大的矚目。納米碳素材料具有多樣結(jié)晶性及形態(tài)，且作為加工性優(yōu)異并具有卓越特性的工業(yè)材料它能在很多領(lǐng)域被廣泛使用。其中碳納米管作為最受矚目的材料以其特殊的形狀及物理特性帶來了信息產(chǎn)業(yè)能源產(chǎn)業(yè)的革命，為人類的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

    CNT是保持碳素六圓環(huán)構(gòu)造平面,并以周期的圓筒狀卷起來的疊層構(gòu)造也是氣態(tài)碳素纖維的一種，根據(jù)疊層數(shù)的不同它的寬窄也不同。構(gòu)造分為一層SWCNT、兩層DWCNT、多層MWCNT三種。CNT的開發(fā)從VGCF開始已經(jīng)有100年以上的歷史了。1800年代，在CH4C2H2等熱分解及CO的觸媒反應(yīng)研究過程中認(rèn)識了這種細(xì)小的纖維狀物質(zhì)。到了1990年代，Hyperion公司和昭和電工將它用于工業(yè)化才得到發(fā)展。CNT生產(chǎn)技術(shù)被分為物理汽化單層方法、化學(xué)熱分解法、有機(jī)物前驅(qū)體法三類。制造方法和碳素纖維制造法類似，請參考Table1。近年，作為碳素材料的應(yīng)用，碳素纖維和樹脂復(fù)合材料被應(yīng)用在航空機(jī)機(jī)體材料上，儲存能源領(lǐng)域的Li離子電池被產(chǎn)品化并進(jìn)入了應(yīng)用階段。在本研究中，關(guān)注CNT的高熱傳導(dǎo)性，合成CNT-AI復(fù)合材料，開發(fā)高熱傳導(dǎo)性材料，而且根據(jù)在AC伺服電機(jī)定子框架放熱材料的應(yīng)用試著開發(fā)出高性能高效率的電機(jī)。本報(bào)告內(nèi)容如下：

    （1）熱傳導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度、熱評價(jià)率的評價(jià)；

    （2）CNT-AI復(fù)合材料應(yīng)用電機(jī)放熱性的評價(jià)；

    （30今后的課題；

2 CNT-AI復(fù)合材料的制作和基礎(chǔ)特性
2.1CNT-AI復(fù)合材料的制作
    研究用的CNT是根據(jù)CVD法的VGCF，氣態(tài)成長法生成纖維化產(chǎn)生的直徑200mm，長200μm的CNT。在Fig.1顯示了CNT的原子模型圖和CNT-AI復(fù)合材料的SEM影像。

    CNT形態(tài)比是10^4,外觀像黑色的棉花一樣。在制作金屬復(fù)合材料之前先試著做PPS樹脂復(fù)合材料。CNT和PPS樹脂的親和性較低直接讓PPS浸透比較困難。為了改善成型時(shí)的CNT的親和性有必要做界面活性處理。溶熔AI和CNT的親和性也是一樣的，做含有界面活性劑CF的方法。另，因?yàn)镃NT在長遠(yuǎn)上具有高熱傳導(dǎo)各向異性，為了有效率的施行熱傳導(dǎo)就有必要在復(fù)合材料上附加熱傳導(dǎo)各向異性。為了取得復(fù)合材料的均一性和各向異性，在制作CNT-AI復(fù)合材料的時(shí)候，AI的粒徑200μm的粉體和CNT攪拌后溶熔，采用邊施加壓力邊壓出成型的方式。在Table2和Fig.2有展示CNT-AI的復(fù)合材料的制作條件和CNT20wt%-AI的壓出成型后的外觀。

2.2熱傳導(dǎo)率和機(jī)械特性
    測定CNT-AI復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)率、機(jī)械破壞強(qiáng)度及熱膨脹系數(shù)。如Table3所示，CF和CNT含有量在合計(jì)約26wt%的條件下成型，并做成各個(gè)測定試料片。熱傳導(dǎo)率的測定試料：制作直徑Φ10mm，厚3mm，用Netzsch公司LFA457，破壞強(qiáng)度：制作拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)片（JISZ2201）使用英斯特朗型拉伸壓縮試驗(yàn)機(jī)（島津制作所DCS-10T），熱膨脹系數(shù)試料：制作直徑Φ5mm，長20mm用真空理工公司制TM-7000M測定評價(jià)。

    以前的AI：熱傳導(dǎo)率92W/mK,拉伸強(qiáng)度280MPa，但是制作的CNT-AI復(fù)合材料顯示的數(shù)值比以上數(shù)值都高。如Table3所示，試驗(yàn)片No.2的熱傳導(dǎo)率徑方向169W/mK,軸方向173W/mK。我們也了解到隨著CF含有量的增加，破壞強(qiáng)度也隨著增加。隨著CNT含有量的增加，熱傳導(dǎo)率的增加減少了23wt%，我們對此現(xiàn)象非常有興趣。Fig4展示了CNT-AI復(fù)合材料的熱膨脹率和熱膨脹系數(shù)的溫度依存性。雖然隨著溫度的增加全體都膨脹了，但是軸方向的膨脹與徑方向的膨脹相比較因?yàn)榇罅艘晃凰詮椒较虻呐蛎浵禂?shù)被認(rèn)為是變成負(fù)數(shù)了。

3 電機(jī)熱傳導(dǎo)的模擬實(shí)驗(yàn)
3.1模型和境界條件
    用市面上銷售的熱傳導(dǎo)解析軟件測試法蘭角100mm的AC伺服電機(jī)的模擬。Table4展示了在FEM解析上用的計(jì)算機(jī)元素和電機(jī)部品的熱傳導(dǎo)率。解析模具在軸方向處1/4對稱，從勵(lì)磁線圈出開始發(fā)熱。境界條件就是暫定熱傳導(dǎo)各部品從定子外框處開始通過向外部放氣散熱。用FEM要素是三次元四面體10節(jié)點(diǎn)未知數(shù)。

    Fig5展示了使用了AI定子框架的AC伺服電機(jī)的1/2對稱模型的熱傳導(dǎo)解析結(jié)果。勵(lì)磁線圈發(fā)出的熱量是85W/m^3，定子的境界條件設(shè)定為外部溫度15℃，熱傳達(dá)系數(shù)92W/m^2K。定常狀態(tài)溫度分布的線圈溫度：122℃，定子外框溫度60℃在定格運(yùn)轉(zhuǎn)（電流5.7A，AC200V）線圈溫度107℃，可推測定子外框會(huì)產(chǎn)生45℃的溫度上升。

3.2使用CNT-A1的熱傳導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)
    以前的定子外框材料A1的熱傳導(dǎo)率為92W/mK，本研究得出的CNT14wt%-A1復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)率增加至171W/mK。在此，我們把定子材料換為CNT-A1復(fù)合材料，在AC伺服電機(jī)上進(jìn)行了熱傳導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)。CNT-A1復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)率變化時(shí)（CNT含量變化），線圈和定子外框的溫度變化的模擬結(jié)果為Fig.6所示，隨著定子外框的熱傳導(dǎo)率增加，線圈的溫度就減少，定子外框的溫度增高。因?yàn)槎ㄗ油饪虻臒醾鲗?dǎo)率增加后，往定子外面散發(fā)的熱量增加了，因而降低了線圈的溫度，而當(dāng)定子外框外外部傳遞的熱量超過一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)溫度上升現(xiàn)象。這樣，同樣體格的電機(jī)使用CNT-A1復(fù)合材料的定子外框，就能有效降低線圈溫度。在線圈溫度達(dá)到臨界值前能增加的勵(lì)磁電流也可以得到提升，并隨之增加輸出。

    通過FEM模擬實(shí)驗(yàn)可以預(yù)測，使用CNT14wt%-A1復(fù)合材料將熱傳導(dǎo)率增加至171W/mK，線圈的溫度可以降低13℃降至114℃，而定子外框溫度則從4攝氏度上升至64℃。

4 AC伺服電機(jī)的制作和評估
4.1電機(jī)的制作和基礎(chǔ)特性
    為了確認(rèn)使用CNT1-A1復(fù)合材料的電機(jī)的放熱效果，對定子外框用A1材料制作和用CNTA1復(fù)合材料制作2種樣品做了特性評估。2個(gè)AC伺服電機(jī)的通用規(guī)格如Table5所示。形狀為法蘭角100mm，電機(jī)本體長120mm，質(zhì)量4.5kg。如Fig.5所示，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的溫度熱電對取輸出軸角度（B13-440）水平（y軸）33mm，上面（x軸）25mm的位置進(jìn)行測定。

    Fig.7顯示的是使用CNT1-A1復(fù)合材料制作定子外框的AC伺服電機(jī)。CNT1-A1復(fù)合材料的基地是條形模樣，通過黑色噴涂后得出光滑的表面。另外，電機(jī)的特性評估時(shí)，在輸出軸和反面設(shè)置了用于檢測位置、速度的光電編碼器，電機(jī)的控制器使用的是TA8110N725E107（多摩川精機(jī)生產(chǎn)）。

    兩種電機(jī)的“扭矩--旋轉(zhuǎn)圈數(shù)”特性分別為旋轉(zhuǎn)數(shù)0時(shí)扭矩10.2Nm和旋轉(zhuǎn)數(shù)4510時(shí)扭矩0的直線型。電流--扭矩特性為額定扭矩3.3Nm，額定電流5.6A時(shí)扭矩顯示為定數(shù)0.59Nm/A。

    測試的結(jié)果證明，定子外框用A1或CNT1-A1復(fù)合材料制作，電機(jī)的特性等值，可以開始進(jìn)行放熱實(shí)驗(yàn)。

4.2電機(jī)的放熱特性
    用A1和CNT1-A1復(fù)合材料制作的定子外框的2種電機(jī)在相同負(fù)載條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，測試定子溫度和外部溫度。記錄溫度上升后到變化穩(wěn)定時(shí)的溫度變化，當(dāng)定子溫度檢測位置的溫度變化為每0.5h不到1.4℃時(shí)，即可停止檢測記錄。線圈在電機(jī)內(nèi)部不能直接測試溫度，所以利用線圈的電阻值的變化量進(jìn)行計(jì)算。

    Table6顯示的是旋轉(zhuǎn)速度3000rpm，負(fù)載扭矩3.3Nm條件下，3個(gè)測定點(diǎn)的溫度特性。定子外框使用CNT1-A1復(fù)合材料制作時(shí)，線圈溫度減少19℃，外框增加5℃，另外，減去外部溫度差，定子溫度上升3.6℃。線圈溫度降低的部分，可以增加相當(dāng)數(shù)量的勵(lì)磁電流。使用CNT1-A1復(fù)合材料的放熱特性的效果得到確認(rèn)。

    Table7顯示的是用CNT1-A1復(fù)合材料制作定子外框的電機(jī)的特性設(shè)計(jì)值和檢測值。使用CNT1-A1復(fù)合材料的電機(jī)的線圈、圈數(shù)、其他材料都完全相同，其特性效果和使用A1材料時(shí)等價(jià)。但是，使用CNT1-A1復(fù)合材料可以降低線圈溫度，改善放熱特性。

    根據(jù)溫度特性試驗(yàn)的結(jié)果，使用CNT1-A1復(fù)合材料的電機(jī)比使用A1材料的要節(jié)能16%。這表示使用CNT1-A1復(fù)合材料的電機(jī)的額定運(yùn)轉(zhuǎn)電流可以增加6.8%。也即是說，額定電流可以從5.6A增加到6.25A，額定扭矩可以從3.5Nm增加到3.7Nm。

4.3今后的課題
    CNT1-A1復(fù)合材料的開發(fā)和電機(jī)應(yīng)用研究的結(jié)果為：可以改善放熱特性，達(dá)成電機(jī)的高效率化。但是，如下所示，還有幾個(gè)今后必須研討的問題的。（1）CNT材料的價(jià)格為1萬日元/kg，價(jià)格高，（2）CNT的物理性質(zhì)的未知點(diǎn)多，還不能保證對生物體的安全性，（3）制作跟金屬這些親和性低的復(fù)合材料時(shí)，需要高壓裝置。

5 總結(jié)
    納米技術(shù)是能對將來進(jìn)行大變革的技術(shù)，其中碳納米管作為高熱傳導(dǎo)材料倍受關(guān)注。本研究是作為CNT1-A1復(fù)合材料開發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，改善AC伺服電機(jī)的放熱特性。研究開發(fā)所得成果總結(jié)如下：

    CNT25wt%以下的CNT1-A1復(fù)合材料制作成功，熱傳導(dǎo)率均勻，是原來的A1材料的2倍的特性。

    制作CNT1-A1復(fù)合材料時(shí)，開發(fā)出了新的使用碳纖維的方法，改善溶融A1的親和性。

    通過將CNT1-A1復(fù)合材料應(yīng)用在電機(jī)定子外框來改善放熱特性的試驗(yàn)成功。另外，明白相同體格的電機(jī)可以增加6.8%電流。

    最后，本研究是應(yīng)文部科學(xué)省地域科學(xué)技術(shù)振興事業(yè)輔助事業(yè)（長野縣TECHNO集團(tuán)）的委托，將2002~2006年的成果進(jìn)行總結(jié)。其中得到了信州大學(xué)工學(xué)部遠(yuǎn)藤教授、杉本教授、森本協(xié)調(diào)的大力支持。非常感謝。另外，論文中沒有聯(lián)名記載的多摩川精機(jī)株式會(huì)社Spacetronics研究所久保田明良主任技師、中田主任技師幫助進(jìn)行了電機(jī)特性測試。非常感謝。