Cu‑Ti₃AlC₂複合材料の超音波支援ホットプレス焼結

急速充電車両のための賢い金属

電気自動車が普及し急速充電が日常化するにつれ、大電流を一時的に流す金属部品（充電ガンの端子など）は過酷な条件にさらされます。これらの部品は強くかつ軽量でなければならず、電気・熱を高効率で伝導し、何千回もの抜き差しに伴う摩耗やアークにも耐える必要があります。本研究は、銅と特殊な層状セラミックを組み合わせ、粉末を低温で結合させるために超音波を用いるという新しい手法で、こうした“働き者”の金属をつくる可能性を探ります。

軟らかい金属と頑強なセラミックの融合

銅は優れた電気・熱伝導性で重宝されますが、比較的軟らかく厳しい使用条件で摩耗しやすいという欠点があります。そこで硬い粒子を加えて強化した銅マトリクス複合材が用いられます。本研究で採用されたTi₃AlC₂はMAX相に属するセラミックで、金属のように熱や電気を伝える性質と、セラミックとしての強さ、剛性、耐摩耗性を兼ね備えた異色の材料です。適量のTi₃AlC₂を銅に混ぜると、複合材は強度と耐摩耗性が向上しつつ軽くなり、電気伝導性も高く保てるため、電力コネクタや放熱部材にとって魅力的な組合せになります。

従来法の問題点

密な銅–Ti₃AlC₂部材をつくるのは容易ではありません。従来のホットプレスでは高温が必要ですが、約860°Cを超えるとTi₃AlC₂は分解して他の化合物になり、アルミニウムが銅側に拡散します。この分解は微小な空孔を生じて密度と強度を低下させ、溶け出したアルミニウムは電気伝導性を大きく損ないます。逆にセラミックを保護するために温度を下げすぎると粉末が十分に結合せず、孔が残って材料が弱くなります。これまで粒子をコーティングしたり、添加元素を加えたり、後処理を増やすといった対策が試みられてきましたが、いずれもコストや性能、工程の複雑化などのトレードオフを生みました。

音で圧締する：UAHP法

このジレンマを避けるため、研究者らは超音波支援ホットプレス（UAHP）システムを構築しました。銅粉とTi₃AlC₂粉を混合し圧成形した後、通常より約100–110°C低い750°Cまで加熱し、その間に高周波振動を試料に通します。これらの振動は微視的なハンマーのように働き、銅の変形・流動を促してセラミック粒子の周りを埋め込み、孔をつぶして結合を促進しますが、極端な高温を必要としません。X線や電子顕微鏡による精密観察では、大きなスケールでTi₃AlC₂は分解せずに残っていることが示されました。界面にはごく薄い反応層が形成され、やや欠陥を持つTi₃AlC₂、小さなTiC粒子、銅–チタン化合物からなるナノスケールの“はんだ”が相を固定し、アルミニウムが銅に流れ込むのを防いで高い導電性を維持します。

強く、軽く、そして導電性を保持

異なるTi₃AlC₂含有量で作製した試料は、密度、硬さ、強度、電気伝導率、摩擦特性などで評価されました。体積比で約15％までのセラミック含有では、複合材は理論密度の95％以上に達し、硬さと曲げ強度が明確に向上しました。降伏強さは純銅と比べて約半分近く上昇しています。より高い含有率でも、セラミックが分解した類似材料に比べて電気伝導率ははるかに良好に保たれました。Ti₃AlC₂は銅より軽いため、30％までセラミックを加えると全体密度は二割以上低下し、充電コネクタや電力バスバーの軽量化に寄与します。鋼球との摩耗試験では、層状セラミックが表面で薄い潤滑膜を形成し、摩擦係数を下げ、含有量が増すにつれて摩耗率を大幅に低減しました。

実機への意義

専門外の読者に向けた要点は、研究チームが銅複合材で「両立」を実現する方法を見つけたことです。ホットプレス時に音波を用いることで、扱いが難しい金属–セラミック混合物をより安全で低い温度で高密度化でき、セラミックを安定に保ちながら銅の高い導電性を維持できます。こうして得られた材料は、軽量で強く耐摩耗性が高く、それでいて熱・電気の伝導にも優れており、急速充電用コネクタ、高電力スイッチ、小型冷却部材などに非常に有望です。本研究のCu–Ti₃AlC₂組成にとどまらず、超音波支援ホットプレス法自体が、従来は性能を犠牲にせずに焼結するのが難しかった他の先進的な金属–セラミック部材の製造にも有望な道を開きます。

引用: Zhou, S., Xiang, H., Fang, C. et al. Ultrasonic-assisted hot-press sintering of Cu-Ti₃AlC₂ composites. npj Adv. Manuf. 3, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-026-00067-y

キーワード: 銅複合材, 超音波焼結, MAX相セラミックス, 電気自動車の充電, 耐摩耗導体