1前言
    近年，人們期待超精加工技術(shù)成為可以給未來(lái)社會(huì)帶來(lái)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(lái)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(lái)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(kāi)發(fā)從VGCF開(kāi)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(guò)程中認(rèn)識(shí)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(qǐng)參考Table1。近年，作為碳素材料的應(yīng)用，碳素纖維和樹(shù)脂復(fù)合材料被應(yīng)用在航空機(jī)機(jī)體材料上，儲(chǔ)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(kāi)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(kāi)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(píng)價(jià)率的評(píng)價(jià)；

    （2）CNT-AI復(fù)合材料應(yīng)用電機(jī)放熱性的評(píng)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(zhǎng)法生成纖維化產(chǎn)生的直徑200mm，長(zhǎng)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?gòu)?fù)合材料之前先試著做PPS樹(shù)脂復(fù)合材料。CNT和PPS樹(shù)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(zhǎng)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(cè)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(cè)定試料片。熱傳導(dǎo)率的測(cè)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(zhǎng)20mm用真空理工公司制TM-7000M測(cè)定評(píng)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(duì)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(cè)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(duì)稱，從勵(lì)磁線圈出開(kāi)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(kāi)始通過(guò)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(duì)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(cè)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(guò)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(guò)FEM模擬實(shí)驗(yàn)可以預(yù)測(cè)，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(píng)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(duì)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(píng)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(zhǎng)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(duì)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(cè)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(guò)黑色噴涂后得出光滑的表面。另外，電機(jī)的特性評(píng)估時(shí)，在輸出軸和反面設(shè)置了用于檢測(cè)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(cè)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(kāi)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(cè)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(cè)位置的溫度變化為每0.5h不到1.4℃時(shí)，即可停止檢測(cè)記錄。線圈在電機(jī)內(nèi)部不能直接測(cè)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(cè)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(cè)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(shuō)，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(kāi)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(wèn)題的。（1）CNT材料的價(jià)格為1萬(wàn)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(duì)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(duì)將來(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)的A1材料的2倍的特性。

    制作CNT1-A1復(fù)合材料時(shí)，開(kāi)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(guò)將CNT1-A1復(fù)合材料應(yīng)用在電機(jī)定子外框來(lái)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(zhǎng)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(méi)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(cè)試。非常感謝。