CN101821415B - 具有高导热性的金属-石墨复合材料和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供适合于热二维扩散、在双轴方向上具有高导热率的金属-石墨复合材料和其制造方法。本发明的金属-石墨复合材料，其特征在于，其含有20～80体积％的鳞片状石墨粉末、和选自由铜、铝或它们的合金所组成的组中的基质，相对于金属-石墨复合材料的易导热面的鳞片状面的法向量偏离20°以上的鳞片状石墨粉末，其相对于所述鳞片状石墨粉末全部为15％以下，上述金属-石墨复合材料具有95％以上的相对密度。

Description

具有高导热性的金属-石墨复合材料和其制造方法
技术领域
本发明涉及具有高导热性的金属-石墨复合材料和其制造方法。更具体地说，涉及适合于需要有效放热的半导体设备等进行冷却、在双轴方向具有高导热率的金属-石墨复合材料和其制造方法。 
背景技术
对于半导体设备的放热部件用材料，要求具有更高的导热率。此外，为了防止热膨胀、收缩导致的热连接受到破坏，要求具有与作为热源的半导体设备同等的热膨胀率。进而，在随身用的半导体设备的应用中，一直重视轻量性。 
近年来，为了上述目的，作为具有比金属更高的导热率、以及较低的导热率和密度的材料，集中关注于使用石墨质碳纤维而成的复合材料。例如，使用了以聚丙烯腈(PAN)系碳纤维为代表的具有无序结构的石墨质碳纤维、以沥青系碳纤维为代表的具有径向结构的石墨质碳纤维、以气相生长碳纤维(VGCF)为代表的具有管状结构的石墨质碳纤维而成的复合材料一直备受关注。 
但石墨的高导热率是在与其晶体结构中的由碳原子形成的六边形网状结构(石墨结构)平行的方向上实现的。而在与石墨结构交叉或垂直的方向(贯穿六边形网的方向)上石墨的导热率低。由于在上述的石墨质碳纤维中的石墨结构均是在纤维的长度方向延展的，所以在石墨质碳纤维的长度方向上可以得到高导热率。但在纤维粗度方向上，由于任一种纤维都存在与 石墨结构交叉或垂直的部分，所以在纤维粗度方向的导热率比长度方向的导热率低。 
最近，随着半导体精细化的发展，已研究了不是将半导体方出的热沿着一个方向传递、在另一个位置放热，而是使热二维扩散、增大放热面积进行放热的结构。特别是在不希望出现局部高温的笔记本电脑、随身用通信设备等中已研究了该结构。 
相对于此，使用石墨质碳纤维而成的复合材料，由于使用的碳纤维的导热性的各向异性，所以不适合于热二维扩散，除了碳纤维在单轴方向排列的情况以外，其导热率无法实现导热率最高的金属即银(导热率约等于430W/mK)以上的导热率。 
此外，石墨的鳞片状粉末，因其较高的自润滑性而受到关注，特别是其与铜的复合材料已经在直流发动机用电刷等的滑动部件中广泛应用(参照专利文献1和2)。为了在这些滑动部件中有效实现自润滑性，石墨粉末在金属中的分散性受到重视，但几乎没有为了实现导热率和高导热率而对石墨粉末的取向进行研究。此外，在制造这些部件时广泛使用无加压烧结法。已确认，由于在烧结时不加压，并且铜与石墨表面的亲和性低，所以这些材料的密度低。 
此外，还对下述方法也进行了研究(参照专利文献3)，即对除了含有石墨的鳞片状粉末和铜的球形粒子以外，还含有扁平状的铜粉的混合物进行烧结，从而得到滑动部件用复合材料。但扁平状铜粉的使用量相对于全部铜最高达40质量％。并且使用扁平状的铜粉的目的是为了在滑动部件用复合材料的表面上偏析出铜，完全没有提及由此带来的对石墨的鳞片状粉末的取向的影响。 
专利文献1：日本特开平07-207253号公报 
专利文献2：日本特开平08-331811号公报 
专利文献3：日本特开2004-300485号公报 
非专利文献1：P.M.Adams，H.A.Katzman，G.S.Rellickand G.W.Stupian，″CHARACTERIZATION OF HIGHTHERMAL CONDUCTIVITY CARBON FIBERS AND ASELF-REINFORCED GRAPHITE PANEL″，Carbon，Vol.36，No.3，第233-245页(1998) 
发明内容
发明要解决的问题
本发明的课题是提供适合于热二维扩散、在双轴方向上具有高导热率的金属-石墨复合材料和其制造方法。 
用于解决问题的方案
本发明的第1实施方式的金属-石墨复合材料，其特征在于，所述复合材料含有20～80体积％的鳞片状石墨粉末、和选自铜、铝或它们的合金中的基质，其中，鳞片状面的法向量相对于上述金属-石墨复合材料的易导热面的法向量偏离20°以上的鳞片状石墨粉末占上述鳞片状石墨粉末全部的15％以下，上述金属-石墨复合材料的相对密度为95％以上。在本实施方式中，优选上述鳞片状石墨粉末的通过X射线衍射测定的石墨晶体的d002值在0.3345～0.3360nm的范围内。另外，优选上述鳞片状石墨粉末的平均长径比为10～100，和/或平均粒度为50～1000μm。另外，在本实施方式的金属-石墨复合材料还可以含有碳纤维或碳纳米纤维。 
本发明的第2实施方式的金属-石墨复合材料的制造方法，其特征在于，包含下述工序： 
(1)将鳞片状石墨粉末和选自由铜、铝或它们的合金所组成的组中的基质的鳞片状粉末混合得到粉末混合物的工序， 
(2)使用上述粉末混合物来形成烧结前体的工序， 
(3)对上述烧结前体一边单轴加压一边烧结的工序， 
上述鳞片状石墨粉末构成金属-石墨复合材料的20～80体积％，上述金属-石墨复合材料的相对密度为95％以上，鳞片状面的法向量相对于工序(3)的单轴加压方向的向量偏离20°以上的鳞片状石墨粉末，其相对于上述鳞片状石墨粉末全部的比率为15％以下。本实施方式中含有由上述方法制造的金属-石墨复合材料。这里，优选鳞片状石墨粉末的通过X射线衍射测定的石墨晶体的d002值在0.3345～0.3360nm的范围内。另外，鳞片状石墨粉末的平均长径比为10～100，和/或平均粒度为50～1000μm。另外，本实施方式的金属-石墨复合材料还可以含有碳纤维或碳纳米纤维。 
进而，为了通过由粉末混合物压粉来形成烧结前体，第2实施方式中的工序(2)可以反复进行以下工序(2a)和工序(2b)， 
工序(2a)：将上述粉末混合物填充到模具内， 
工序(2b)：将上述被填充的粉末混合物单轴加压。 
其中，需要使进行1次工序(2a)和工序(2b)所得的烧结前体的、工序(2b)的单轴加压方向的厚度为5mm以下。 
或者，为了从粉末混合物经浆液形成烧结前体，第2实施方式中的工序(2)可以含有以下工序(2c)、工序(2d)、和工序(2e)， 
工序(2c)：将上述粉末混合物和液体介质混合而形成浆液， 
工序(2d)：使用刮刀法将上述浆液在基板上铺展开， 
工序(2e)：除去液体介质。 
这里，需要使经(2c)～(2e)的工序所得的烧结前体的厚度为5mm以下。 
发明效果
通过采用以上构成，使得与一般的金属材料相比，本发明的金属-石墨复合材料在双轴方向上具有更高的导热率。因而，可以通过二维扩散并传输热来有效冷却需要冷却的设备的热。此外，由于本发明的金属-石墨复合材料具有较低的热膨胀率，所以可以作为热膨胀率比金属材料低的硅等半导体的冷却部件，实现可靠性高的接合状态。 
附图说明
图1是显示实施例1中得到的复合材料的截面组织照片的图。 
图2是显示实施例2中得到的复合材料的截面组织照片的图。 
图3是显示比较例2中得到的复合材料的截面组织照片的图。 
图4是显示比较例3中得到的复合材料的截面组织照片的图。 
图5是显示实施例8中得到的Cu-10CCF-40Gr的断裂面的截面组织照片的图。 
图6是显示实施例8中得到的Cu-10CCF-40Gr的研磨面的截面组织照片的图。 
图7是显示实施例8中得到的Cu-10CCF-40Gr的研磨面的截面组织照片的图。 
图8是显示实施例9的试样2的截面组织照片的图。 
具体实施方式
本发明的第1实施方式的金属-石墨复合材料，其特征在于，含有鳞片状石墨粉末和基质，相对密度为95％以上。本发 明中的相对密度表示实际密度相对于由鳞片状石墨粉末和基质的体积百分比和真密度计算出的理想密度的比值，由下式计算出。 
(相对密度)＝(实际的密度)/(理想密度) 
(理想密度)＝(鳞片状石墨粉末的真密度)×(鳞片状石墨粉末的体积％)/100+(基质的真密度)×(基质的体积％)/100 
相对密度为95％以上时，可以保证在复合材料中几乎不存在妨害热传导的空隙，并且使机械强度等特性提高。 
本发明中使用的鳞片状石墨粉末优选具有高结晶性。优选通过学振法(gakushin法)确定的鳞片状石墨粉末的d002值在0.3345～0.3360nm的范围内。d002值是相当于石墨粉末中的石墨面的间隔的量，理想值为0.3345nm。但在通常的情况下，由于结晶紊乱等原因，d002值获得比理想值0.3345nm大的值。具有高结晶性的鳞片状石墨粉末在鳞片状面的方向(即，垂直的双轴方向)导热率高，d002值在上述范围内的粒子导热率在1000～2000W/mK的范围内(参照非专利文献1)。 
本发明中使用的鳞片状石墨粉末的平均长径比为10～100，优选为30～100。本发明中的平均长径比是指粒子的鳞片状面的代表长度相对于厚度的平均值。此外，本发明中使用的鳞片状石墨粉末的平均粒度为50μm～1000μm，优选为80μm～500μm。本发明中的平均粒度是指粉末的鳞片状面的平均代表长度。 
虽然不是必须的，但特别是当使用铝或其合金作为基质时，使用其包覆在鳞片状石墨粉末的表面，可以使其与基质的亲和性提高，并可以使所得的复合材料的机械强度等提高。 
本实施方式中的基质是铜、铝或它们的合金，如在第2实施方式下面的叙述那样，通过鳞片状粉末的加压烧结来制作。从使导热率增大的方面考虑，优选使用铜或铝的纯金属。但在 需要考虑机械强度或热膨胀率等其它特性的提高或制造效率的提高时，可以使用铜的合金或铝的合金。 
本实施方式的金属-石墨复合材料，如在第2实施方式的下面叙述的那样，通过将鳞片状石墨粉末和用于形成基质的鳞片状粉末加压烧结而制造，此时鳞片状石墨粉末的鳞片状面的法向量在加压方向(即Z方向)整齐排列。并且以鳞片状石墨粉末的鳞片状面与加压方向垂直的方式(即在XY面内)整齐排列，并形成易导热面。本实施方式的金属-石墨复合材料中重要的是，使鳞片状面的法向量相对于易导热面的法向量(即加压方向的向量)偏离20°以上的鳞片状石墨粉末占鳞片状石墨粉末全部的15％以下。这是由于，鳞片状面的法向量偏离20°以上的鳞片状石墨粉末即使是少量，也会妨害鳞片状面整齐排列而导致易导热面的形成，使易导热面内的导热率降低的缘故。 
本实施方式的金属-石墨复合材料含有20～80体积％的鳞片状石墨粉末和80～20体积％的基质。通过实现这样范围内的体积比，可以同时满足易导热面内的高导热率和低热膨胀率。此外，本实施方式的金属-石墨复合材料还可以含有碳纤维或碳纳米纤维。 
本发明的第2实施方式的金属-石墨复合材料的制造方法包含下述工序： 
(1)将鳞片状石墨粉末和选自铜、铝或它们的合金中的基质的鳞片状粉末混合得到粉末混合物的工序， 
(2)使用上述粉末混合物来形成烧结前体的工序， 
(3)对上述烧结前体边进行单轴加压边烧结的工序。 
工序(1)中使用的基质的鳞片状粉末可以由铝、铜、或以它们为基的合金来制作。基质的鳞片状粉末的平均长径比为10～100、优选为30～100。基质的鳞片状粉末的平均粒度优选为 所使用的石墨粉末的平均粒度的1～50％。另一方面，可以在工序(1)中使用在第1实施方式中记载的鳞片状石墨粉末。 
在使用铝或其合金的鳞片状粉末时，优选在可在石墨粉末中填充金属的范围内使用较大平均粒度的鳞片状粉末。这是由于，在通常的情况下，铝的鳞片状粉末的表面已被氧化的缘故。粉末表面的氧化物，在烧结时不能除去，而残留在复合材料中的铝基质中，成为妨害热传导的重要原因。为了减轻该影响，重要的是使用表面积尽可能小的粉末，来减少残留在铝基质中的氧化物量。铝或其合金的鳞片状粉末的平均粒度特别优选为使用的石墨粉末的平均粒度的30～50％左右。 
在使用铜或其合金时，不需要考虑使用铝时的前述重要原因。但由于铜或其合金与石墨之间的比重差较大，所以容易在所得的复合材料中出现偏析。为了防止偏析，在使用铜或其合金的鳞片状粉末时，尽可能优选平均粒度较小的。具体地讲，铜或其合金的鳞片状粉末的平均粒度特别优选为所用的石墨粉末的平均尺寸的1～50％左右。 
鳞片状石墨粉末与基质的鳞片状粉末的混合，可以使用在该技术领域中已知的任意方法来进行。例如，可以在鳞片状石墨粉末和基质的鳞片状粉末中加入惰性液体介质，使用行星式球磨机混合，然后使用干燥器等除去液体介质，从而得到粉末混合物。 
鳞片状石墨粉末与基质的鳞片状粉末的混合比率，应使得在最终得到的复合材料中鳞片状石墨粉末占复合材料的20～80体积％。此外，本实施方式的粉末混合物还可以含有碳纤维或碳纳米纤维。 
在工序(2)中，使用工序(1)中得到的粉末混合物来形成烧结前体。在实施工序(2)时，优选使鳞片状石墨粉末高度取向。 
例如，可以通过反复工序(2a)和工序(2b)来实施工序(2)，其中，工序(2a)将上述粉末混合物填充到模具内，工序(2b)对上述被填充的粉末混合物进行单轴加压。这里，作为模具，可以使用在该技术领域中已知的任意模具。虽然不是必须的，但应便于填充到工序(3)使用的烧结模具(例如，在脉冲通电烧结中使用的冲床和冲模的组合)中。 
在工序(2b)中的单轴加压时可以使用5～150MPa的范围内的压力。在工序(2b)中的单轴加压时，鳞片状石墨粉末的鳞片状面以其法向量为加压方向的方式取向。 
但在一次填充大量的粉末混合物时，可能在工序(2b)中不能实现充分取向，甚至在烧结后的复合材料中鳞片状石墨粉末也不能实现充分取向。因此优选限制在工序(2a)中填充的粉末混合物的量，以实现在工序(2b)中的充分取向。在本发明中，经1次工序(2a)和工序(2b)所得的烧结前体的、工序(2b)的单轴加压方向的厚度为5mm以下、优选为3mm以下。在欲制作厚度更厚的复合材料时，要重复适当次数的上述工序(2a)和(2b)，来形成烧结前体。 
作为另外的方法，可以将由粉末混合物和液体介质形成的浆液状混合物注入到模具内，接着再除去液体介质，形成烧结前体。在该方法中，粉末混合物借助重力向模具底部沉降、堆积，此时鳞片状石墨粉末和基质的鳞片状粉末两者的鳞片状面的法向量以朝向竖直方向的方式取向。作为该方法的改变例，还可以在模具的底面配置石膏之类的液体介质的吸收体，在使浆液状混合物流入到模具中的同时，除去液体介质，即进行注浆成型。 
或者，还可以通过以下工序(2c)、工序(2d)、和工序(2e)来形成烧结前体，其中，工序(2c)将上述粉末混合物和液体介 质混合形成浆液，述工序(2d)使用刮刀法将上述浆液在基板上铺展开，工序(2e)除去液体介质。 
在工序(2c)中，将粉末混合物和液体介质混合，调制浆液状混合物。还可以根据需要添加接合剂。作为接合剂可以使用聚乙二醇、乙基纤维素、石蜡、胶等在本技术领域中已知的材料。为了控制接合剂对所得复合材料的导热性的影响，优选使用必要的最小限量的接合剂。 
接着，在工序(2d)中将规定量的浆液状混合物滴加到基板上，保持基板之间的固定间隔，使用可移动的刮刀将浆液状混合物在基板上铺展开。为了使浆液状混合物只限于在横向展开，可以使用具有固定宽度凹槽的基板，向该凹槽内滴加浆液状混合物，沿着凹槽延伸的方向移动刮刀。 
最后在工序(2e)中，使用加热或减压等本技术领域中已知的任意技术方法来除去液体介质，得到烧结前体。 
在该方法中，以使鳞片状石墨粉末和基质的鳞片状粉末两者的鳞片状面的法向量与基板面的法向量一致的方式使两种粉末取向。在此，需要使工序(2c)～(2e)所得的烧结前体的厚度为0.5～5mm。在需要更厚的烧结前体时，将反复进行多次工序(2d)和工序(2e)所得的多个烧结前体叠放在一起，进行工序(3)的烧结工序。 
在工序(3)中，将工序(2)中得到的烧结前体一边单轴加压一边烧结，形成复合材料。在本工序中，可以使用热压法、脉冲通电烧结(SPS)法、热等静压烧结(HIP)法等方法。 
在热压法中，使用含有具有贯穿孔的冲模、和与该贯穿孔嵌合的2个冲床的模具。以使在工序(2)中得到的鳞片状石墨粉末和基质的鳞片状粉末的鳞片状面与冲床加压方向垂直的方式将烧结前体配置在冲模的贯穿孔内。然后，用2个冲床夹持烧 结前体进行加压，同时借助加热器等加热机构对模具整体加热，使烧结前体烧结。 
在SPS法中，与热压法同样，将烧结前体配置在具有冲模和2个冲床的模具内，从2个冲床对烧结前体施加脉冲电流，使用由此在烧结前体内产生的焦耳热来进行烧结。 
在对反复进行工序(2a)和工序(2b)而形成的烧结前体使用上述2种方法中的任一种来烧结时，在工序(2a)和(2b)中可以使用由具有贯穿孔的冲模和与该贯穿孔嵌合的1个冲床组成的模具，与工序(3)中的另一个冲床组合，进行烧结。换而言之，在工序(2)和(3)中可以使用共同的模具。 
在使用热压法或SPS法中的任一种来进行烧结时，优选将装置内的压力减压至30Pa以下。此外，在使用冲床进行单轴加压时，优选使用20～150MPa的压力。 
另一方面，在使用HIP法时，将烧结前体配置在单轴方向具有伸缩性的模具中。此时，以工序(2)中的鳞片状石墨粉末和基质的鳞片状粉末的鳞片状面与模具的伸缩方向垂直的方式配置烧结前体。然后将收纳有烧结前体的模具配置在含有加压流体的加压容器内，通过加热机构来加热加压流体，同时对加压流体施加压力，并进行烧结。对加压流体施加的压力优选在20～300MPa的范围内。 
在使用以上的方法中的任一种时，当使用铝或以其基合金作为基质时，优选在烧结前体的最高达到温度在500～650℃的范围内的条件下进行烧结。此外，在使用铜或以其基合金作为基质时，优选在烧结前体的最高达到温度在800～1000℃的范围内的条件下进行烧结。 
由本发明的第2实施方式的方法制造的金属-石墨复合材料与第1实施方式的复合材料同样，相对密度为95％以上。此 外，在本实施方式的金属-石墨复合材料中，鳞片状面的法向量相对于工序(3)的单轴加压方向的向量(相当于复合材料的易导热面的法向量)偏离20°以上的鳞片状石墨粉末，相对于鳞片状石墨粉末全部的比率为15％以下。 
实施例 
(实施例1) 
本实施例中使用的铜粉末是平均粒度为5μm、平均厚度为200nm的鳞片状粉末，其平均长径比为25，真密度为8.93g/cm3。本发明中使用的石墨粉末是平均粒径为300μm、平均厚度10nm的鳞片状粉末，其长径比为30，真密度为2.27g/cm3。石墨粉末的结晶性，是使用学振法，评价混合了20质量％的内部标准用硅粉的试样而得到的。其结果表明：石墨粉末的d002为0.3347nm，为高结晶性的。 
将铜粉末80.2g、石墨粉末19.8g、乙醇30g和直径10mm的SUS球300g添加到行星式球磨机中。将行星式球磨机设定在150rpm的基本转速(公转速)和-2.5的旋转比(负号表示旋转方向与基本旋转方向相反)的条件，混合10分钟。从行星式球磨机中取出所得的粉末混合物，风干一天，然后在70℃的热风干燥器中干燥1小时。 
将所得的粉末混合物使用脉冲通电烧结法烧结。向具有20mm见方的贯穿孔的石墨制冲模内填充粉末混合物4～5g，施加20MPa左右的压力进行压粉。在第一次的填充/压粉工序后得到厚度3mm的压粉体。重复10次该填充/压粉工序，得到加压方向的厚度为30mm的烧结前体。然后将脉冲通电烧结装置内减压至30Pa以下，对烧结前体施加50MPa的压力(20kN的挤压力)，通入脉冲幅度0.5ms、频率375Hz、电流密度1000A/cm2的电流10分钟进行烧结。此时的最高达到温度为900℃，在最 高达到温度下的保持时间设为5分钟。烧结得到的复合材料尺寸为20×20×20mm。复合材料中的石墨粉末的体积％(Vf)为50％。 
表1中示出了所得复合材料的相对密度、导热率和热膨胀率的测定结果。另外，表1中，Z方向是烧结时的加压方向，X和Y方向是与Z方向垂直的两个方向。 
此外，图1显示出了所得复合材料的截面组织照片。通过观察该截面组织照片来评价复合材料中的石墨粉末的取向性。制作复合材料的XZ截面，设想由在Z方向延伸的各0.5mm的10根线、和在X方向延伸的各0.5mm的10根线形成的网格(grid)，测定在网格的100个线交点上存在的石墨粉末的鳞片状面的法向量与Z轴所成的角度。表1示出了评价结果。 
(实施例2) 
除了在制作粉末混合物时使用铜粉末73.0g和石墨粉末27.0g以外，重复实施例1的步骤来制作复合材料。所得复合材料的Vf为60％。 
图2示出了所得复合材料的截面组织照片。表1中示出了通过观察该截面组织照片来评价复合材料中的石墨粉末的取向性的结果、和所得复合材料的相对密度、导热率和热膨胀率的测定结果。 
(实施例3) 
除了在制作粉末混合物时使用铜粉末63.4g和石墨粉末36.6g以外，重复实施例1的步骤来制作复合材料。所得复合材料的Vf为70％。表1中示出了复合材料的相对密度、导热率和热膨胀率的测定结果。 
(实施例4) 
除了以下方面以外，重复实施例1的步骤来形成复合材料。 
代替铜粉末，使用平均粒径为30μm、平均厚度为1μm、长径比为30的铝粉末。在制作粉末混合物时，使用铝粉末36.4g和石墨粉末22.7g。将电流密度变为750A/cm2，并将最高达到温度下的保持时间变为0分钟，除此以外以与实施例1同样的步骤进行脉冲通电烧结法，制作复合材料。 
在本实施例中，进行脉冲通电烧结时的达到温度为625℃。此外，所得复合材料的Vf为50％。表1中示出了所得复合材料的相对密度、导热率和热膨胀率的测定结果。 
(实施例5) 
除了在制作粉末混合物时使用铝粉末29.7g和石墨粉末27.7g以外，重复实施例4的步骤来制作复合材料。所得复合材料的Vf为60％。表1示出了所得复合材料的相对密度、导热率和热膨胀率的测定结果。 
(实施例6) 
除了在制作粉末混合物时使用铝粉末22.7g和石墨粉末33.0g以外，重复实施例4的步骤来制作复合材料。所得复合材料的Vf为70％。表1示出了所得复合材料的相对密度、导热率和热膨胀率的测定结果。 
(实施例7) 
使用与实施例1同样的铜粉末和石墨粉末，使用刮刀法来制作生坯(green sheet)。 
将铜粉末65.0g、石墨粉末11.0g、乙醇25g和直径10mm的SUS球300g装入到行星式球磨机中。将行星式球磨机设定在150rpm的基本转速(公转速)和-2.5的旋转比(负号表示旋转方向与基本旋转方向相反)的条件下，混合10分钟，除去SUS球，得到浆液。 
相对于所得浆液200g，添加6g的聚乙二醇(分子量300)，得到涂布混合物。将该涂布混合物注入到以70mm的间隔设置在基板上的高2mm的模具中，在模具上方滑动铝制刮刀，接着使模具中的浆液干燥，从而得到宽度70mm、长度300mm、厚度2mm的生坯。 
将所得生坯切成长70mm。将宽度70mm×长度70mm×厚度2mm的生坯配置在70mm见方的具有贯穿孔的石墨制冲模内，在与实施例1同样的条件下使用脉冲通电烧结法进行烧结。所得复合材料尺寸为宽度70mm×长度70mm×厚度0.5mm，Vf为40％。表1中示出了所得复合材料的相对密度、导热率和热膨胀率的测定结果。 
(比较例1) 
按照与实施例1同样的步骤调制粉末混合物。使用50MPa的压力将所得粉末混合物单轴加压成型，得到直径20mm、厚度5mm的圆盘状的压粉成形体。将所得压粉成形体配置在真空炉内，将真空炉内减压到30Pa以下，通过在900℃下加热1小时来进行无加压烧结。所得复合材料为直径20mm、厚度5mm的圆盘状。所得复合材料的Vf为50％。表1示出了所得复合材料的相对密度、导热率和热膨胀率的测定结果。另外，本比较例中的Z方向是单轴加压成型时的加压方向。 
(比较例2) 
除了将每次向石墨制冲模中填充的粉末混合物的量变为20g以外，重复实施例2的步骤来制作复合材料。所得复合材料的Vf为60％。 
图3示出了所得复合材料的截面组织照片。表1中示出了通过观察截面组织照片得到的复合材料中的石墨粉末的取向性 的评价结果、和所得复合材料的相对密度、导热率和热膨胀率的测定结果。 
(比较例3) 
除了使用由雾化法(atomize)制作的球状铜粉来代替鳞片状铜粉以外，重复实施例1的步骤来制作复合材料。所得复合材料的Vf为50％。 
图4中示出了所得复合材料的截面组织照片。表1中示出了通过观察截面组织照片得到的复合材料中的石墨粉末的取向性的评价结果、和所得复合材料的相对密度、导热率和热膨胀率的测定结果。 
Figure GPA00001088711500171
由以上结果可知，实施例1～6中所得复合材料的相对密度均显示大于95％，在复合材料中几乎没有空隙。相对于此，可知在单轴加压成型后进行无加压烧结的比较例1的相对密度为54.1％，在复合材料中存在相当多的空隙。尽管空隙的存在使得比较例1的复合材料在XY方向显示出低热膨胀率(5.2ppm/K)，但与各实施例的复合材料相比，其导热率(特别是XY方向)较低。 
此外，由石墨粉末的取向性评价可知，在实施例1～6的复合材料中偏离鳞片状面的法向量大于20°的石墨粉末比率为12％以下。通过这样使石墨粉末的鳞片状面沿着XY面整齐排列，使得实施例1～6的复合材料在垂直于加压方向的面内(即XY方向)显示出高导热率，同时在加压方向(Z方向)显示出低导热率。相对于此，在压粉工序中增加每次填充量的比较例2，尽管相对密度与实施例的复合材料同等，但偏离鳞片状面的法向量大于20°的石墨粉末比率为16％。该排列紊乱使得比较例2的复合材料的XY方向的导热率降低。此外，使用球状铜粉代替鳞片状铜粉的比较例3，偏离鳞片状面的法向量大于20°的石墨粉末的比率为45％，复合材料在XY方向的导热率显著降低。 
(实施例8) 
除了使用实施例1中使用的铜粉末和石墨粉末、以及实施例4中使用的铝粉末以外，还使用直径10μm、长度3mm的短切碳纤维(Chopped Carbon Fiber，下文中称作“CCF”)，来形成金属-石墨复合材料。按照与实施例1同样的步骤来混合并烧结所用的材料。 
本实施例中，将石墨粉末和CCF的总量固定在50体积％，改变石墨粉末与CCF的配方比。测定所得材料的密度、相对密 度、导热率、热膨胀系数、和抗弯强度。抗弯强度是通过3点弯曲试验进行的，即将3mm×2mm×20mm尺寸的试样用相距16mm的2个支点支撑，以0.5mm/分钟的速度对该2支点的中央部施加重力。表2中示出了所得的结果。 
表2：实施例8的复合材料的评价 
*1  Z：加压方向  XY：与加压方向垂直的方向 
表2中的“Cu-10CCF-40Gr”表示由含有10体积％的CCF、40体积％的石墨粉末和余量的Cu的原料制作的复合材料。此外，关于导热率和热膨胀率，Z方向是烧结时的加压方向，X和Y方向是与Z方向垂直的两个方向。 
由表2明确可知，虽然随着CCF的添加量增多，导热率稍稍减少，但Cu基复合材料的抗弯强度大幅增加。此外，发现Al基复合材料的抗弯强度也有一定程度增加。 
接着，使Cu-10CCF-40Gr在XZ面上断裂，观察该断裂面和该断裂面研磨后的研磨面。图5示出了Cu-10CCF-40Gr的断裂面的截面组织照片(500倍)，图6示出了Cu-10CCF-40Gr的研磨面的截面组织照片(30倍)，图7示出了Cu-10CCF-40Gr的研磨面的截面组织照片(1000倍)。 
由图5可知，在断裂面上鳞片状石墨粉末断裂。而CCF有部分从断裂面突出，并且该部分已从断裂面抽出。由此可知，CCF有助于提高复合材料的抗弯强度。 
由图6和图7可知，鳞片状石墨粉末基本在XY平面内排列。此外，由图7可知，在鳞片状石墨粉末之间的基质金属中存在直径10μm左右的CCF的断面组织，并且CCF在XY平面内无序取向。 
(实施例9) 
本实施例中，评价使用不同形状的基质金属粉末得到的复合材料的特性。本实施例中使用的鳞片状铜粉，平均粒径约为50μm的平均粒径，平均长径比约为30。此外，本实施例中使用的球状铜粉是通过水喷雾法制造的，平均粒径约为40μm。此外，在本实施例中使用了平均粒径300μm、平均厚度10nm的鳞片状石墨粉末。 
使用70体积％的铜粉和30体积％的鳞片状石墨粉末来制作2种复合材料。一种作为铜粉仅使用鳞片状铜粉。另一种作为铜粉使用40体积％的鳞片状铜粉和60体积％的球状铜粉的混合物。按照实施例1的步骤来制作复合材料。 
对所得的2种复合材料评价密度、相对密度、导热率、热膨胀率、抗弯强度和石墨粉末的取向状态。表3中示出了结果。此外，图8中示出了使用鳞片状铜粉和球状铜粉的混合物制作的复合材料的截面组织照片。 
由表3可知，在使用鳞片状铜粉和球状铜粉的混合物的试样2中，相对于XY平面偏离20度以上排列的石墨粉末的比率增加至18％。即，可知使用球状铜粉会使石墨粉末取向紊乱。该取向紊乱使得试样2的XY平面内的导热率(570.1W/m/K)比仅使用鳞片状铜粉的试样1的导热率(631.6W/m/K)低约10％。此外，使用球状铜粉的试样2的抗弯强度(26MPa)约是仅使用鳞片状铜粉的试样1的抗弯强度(53.5MPa)的一半。由此可知，石墨粉末取向紊乱会对复合材料的机械强度造成不良影响。 

Claims (15)

1.一种金属-石墨复合材料，其特征在于，所述复合材料含有20～80体积％的鳞片状石墨粉末、和选自由铜、铝或它们的合金所组成的组中的基质，
鳞片状面的法向量相对于所述金属-石墨复合材料的易导热面的法向量偏离20°以上的鳞片状石墨粉末占所述鳞片状石墨粉末全部的12％以下，
所述金属-石墨复合材料的相对密度为95％以上。
2.根据权利要求1所述的金属-石墨复合材料，其特征在于，所述鳞片状石墨粉末的通过X射线衍射测定的石墨晶体的d002值在0.3345～0.3360nm的范围内。
3.根据权利要求1所述的金属-石墨复合材料，其特征在于，所述鳞片状石墨粉末的平均长径比为10～100。
4.根据权利要求1所述的金属-石墨复合材料，其特征在于，所述鳞片状石墨粉末的平均粒度为50～1000μm。
5.根据权利要求1所述的金属-石墨复合材料，其特征在于，其还含有碳纤维。
6.根据权利要求1所述的金属-石墨复合材料，其特征在于，其还含有碳纳米纤维。
7.一种金属-石墨复合材料的制造方法，其特征在于，其包含下述工序：
(1)将鳞片状石墨粉末和选自由铜、铝或它们的合金所组成的组中的基质的鳞片状粉末混合得到粉末混合物的工序，
(2)使用所述粉末混合物来形成烧结前体的工序，
(3)对所述烧结前体边进行单轴加压边烧结的工序，其中，
所述鳞片状石墨粉末构成金属-石墨复合材料的20～80体积％，所述金属-石墨复合材料的相对密度为95％以上，且鳞片状面的法向量相对于工序(3)的单轴加压方向的向量偏离20°以上的鳞片状石墨粉末，其相对于所述鳞片状石墨粉末全部的比率为12％以下。
8.根据权利要求7所述的金属-石墨复合材料的制造方法，其特征在于，所述鳞片状石墨粉末的通过X射线衍射测定的石墨晶体的d002值在0.3345～0.3360nm的范围内。
9.根据权利要求7所述的金属-石墨复合材料的制造方法，其特征在于，所述鳞片状石墨粉末的平均长径比为10～100，所述基质的鳞片状粉末的平均长径比为10～100。
10.根据权利要求7所述的金属-石墨复合材料的制造方法，其特征在于，所述鳞片状石墨粉末的平均粒度为50～1000μm。
11.根据权利要求7所述的金属-石墨复合材料的制造方法，其特征在于，还包含在所述粉末混合物中添加碳纤维的工序。
12.根据权利要求7所述的金属-石墨复合材料的制造方法，其特征在于，还包含在所述粉末混合物中添加碳纳米纤维的工序。
13.根据权利要求7所述的金属-石墨复合材料的制造方法，其特征在于，
工序(2)是通过反复进行1次以上的下述工序(2a)和工序(2b)而进行的，
工序(2a)：将所述粉末混合物填充到模具内，
工序(2b)：将所述被填充的粉末混合物进行单轴加压，
进行1次工序(2a)和工序(2b)所得的烧结前体的、工序(2b)的单轴加压方向的厚度为5mm以下。
14.根据权利要求7所述的金属-石墨复合材料的制造方法，其特征在于，
工序(2)是通过进行下述工序(2c)、工序(2d)、和工序(2e)而进行的，经(2c)～(2e)的工序所得的烧结前体的厚度为5mm以下，其中，
工序(2c)：将所述粉末混合物和液体介质混合而形成浆液，
工序(2d)：使用刮刀法将所述浆液在基板上铺展开，
工序(2e)：除去液体介质。
15.一种金属-石墨复合材料，所述复合材料通过权利要求7～14的任一项所述的制造方法制得。
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