CN1894435A - 金属基碳纤维复合材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制金属碳化物的生成、重量轻且具有高的热导率、并且能够控制热流方向的金属基碳纤维复合材料的制造方法。金属基碳纤维复合材料的制造方法包括以下工序:将碳纤维与金属粉末物理地混合,从而得到金属纤维混合物的工序;排列金属纤维混合物,同时填充至夹具中的工序;以及将夹具设置在大气中、真空中或惰性气氛中,加压的同时直接通上脉冲电流,从而利用由其引起的发热进行烧结的工序。其中,以复合材料的总重量为基准,该复合材料含有10~80重量%的碳纤维,且其被烧结至理想密度的70%或以上。

Description

金属基碳纤维复合材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及金属基碳纤维复合材料。更详细地说,涉及适合于在从常温至数百℃下工作的装置的散热的、具有高热导率的金属基碳纤维复合材料,以及通过脉冲通电烧结法制造金属基碳纤维复合材料的方法。
背景技术
目前,作为使用半导体的电子装置或功率模块的散热部件(底板、散热器、传热器等),使用铝或铜这样的热导率高的金属或它们的合金。然而,伴随着这些装置的高性能化,它们的发热量增大的倾向显著。此外,伴随着这些装置的小型轻量化,要求散热部件的小型轻量化。
鉴于这个问题,使用具有优异的热传导性、且重量轻的碳纤维的金属基碳纤维复合材料引人注目。这样的金属基碳纤维复合材料通常按照熔融金属含浸法形成,该熔融金属含浸法是对由碳纤维形成的预成型体,在加压或非加压下含浸铝等金属的熔融金属(参见专利文献1)。
通过熔融金属含浸法形成金属基碳纤维复合材料时的问题在于,由于碳纤维与熔融金属中的金属起化学反应而生成金属碳化物。例如,熔融金属中的铝与碳纤维发生反应生成Al4C3。已知所生成的Al4C3等碳化物与常温下的水或水蒸气接触,变质成甲烷等烃气体和金属氢氧化物,在碳纤维与基材(matrix)金属之间产生间隙,复合材料的强度和热导率大大降低。
作为抑制熔融金属含浸法中形成碳化物的方法,研究了对碳纤维施加陶瓷涂层(参见专利文献2)或氟涂层(参见专利文献3)这样的涂层的方法。还研究了使用以碳为主要成分的粘合剂(沥青树脂等)形成碳纤维的预成型体的方法(参见专利文献4),或将用作熔融金属的金属经合金化以降低熔融金属的温度,从而降低含浸熔融金属时的反应性的方法(参见专利文献5)。
专利文献1:日本专利特开2002-194515号公报专利文献2:日本专利特开2001-300717号公报专利文献3:日本专利特开平05-125562号公报专利文献4:日本专利特开2000-303155号公报专利文献5:日本专利特开平11-256254号公报发明内容发明要解决的课题然而,如上所述在碳纤维上施加涂层的方法以及由以碳为主要成分的粘合剂形成预成型体的方法需要额外的工序和材料等,因此可能会导致复合材料成本的增加。此外,在将作为熔融金属使用合金的方法中,需要准备该合金的工序。此外,这些方法中,为了将用作基材的金属或合金制成熔融金属而都需要高温,需要较多的能量。
相反,本发明提供了一种使用常用的便宜的原材料、借助更少的能量即可实施、并且抑制碳化物的生成的金属基碳纤维复合材料的制造方法,以及通过该方法制备的金属基碳纤维复合材料。
用于解决课题的方法本发明第1实施方式的金属基碳纤维复合材料,其特征在于,该金属基碳纤维复合材料是通过烧结金属与碳纤维得到的金属基碳纤维复合材料,以上述复合材料的总重量为基准,含有10~80重量%的上述碳纤维,上述复合材料被烧结至理想密度的70%或70%以上。上述碳纤维还可以选自由沥青类碳纤维、PAN类碳纤维、气相生长碳纤维、碳纳米管、以及纳米管·纳米纤维捻合线所组成的组中。上述金属可以选自由铜、铝、镁、以及以它们为基的合金所组成的组中。此外,该金属基碳纤维复合材料具有如下的密度:在使用铝或铝基合金作为金属的情况下,该密度优选为2.6g/cm3或2.6g/cm3以下;在使用铜或铜基合金作为金属的情况下,该密度优选为6.8g/cm3或6.8g/cm3以下;在使用镁或镁基合金作为金属的情况下,该密度优选为2.1g/cm3或2.1g/cm3以下。此外,在该金属基碳纤维复合材料中,上述碳纤维还可以被排列。在这种情况下,在碳纤维排列方向上,期望具有300W/mK或300W/mK以上的热导率。还可以将上述的金属基碳纤维复合材料作为使用半导体的电子装置或功率模块的散热部件(底板、散热器、传热器等)。
本发明第2实施方式的金属基碳纤维复合材料的制造方法,其特征在于,将碳纤维与金属粉末物理地混合,得到金属纤维混合物的工序1;排列上述金属纤维混合物的同时填充到夹具中的工序2;以及将上述夹具设置在大气中、真空中或惰性气氛中,加压的同时直接通上脉冲电流,利用由此引起的发热进行烧结的工序3。上述碳纤维还可以选自由沥青类碳纤维、PAN类碳纤维、气相生长碳纤维、碳纳米管、纳米管·纳米纤维捻合线所组成的组中。上述金属可以选自由铜、铝、镁、以及以它们为基的合金所组成的组中。在上述碳纤维的纤维长度为100nm~5mm的情况下,工序1可以通过使用球磨机等的物理混合法实施。此外,在上述碳纤维的纤维长度为5mm或5mm以上的情况下,工序1可以通过使用带有直径适当的棒的棒磨机并可保持纤维方向的物理混合法实施。优选上述碳纤维是沥青类碳纤维、PAN类碳纤维或纳米管·纳米纤维捻合线与气相生长碳纤维或碳纳米管的混合物。此外,在工序2中,还可以对上述碳纤维的方向进行二维控制。
发明效果通过采用如上的构成,可以得到作为使用半导体的电子装置或功率模块的散热部件(底板、散热器、传热器等)有用的、重量轻且具有高热导率的金属基碳纤维复合材料。此外,根据本发明的方法,尤其是不需要额外的工序或材料,就可以抑制由金属与碳纤维之间的反应而产生金属碳化物,可以以更便宜和简单的方法形成具有优异特性的金属基碳纤维复合材料。此外,在本发明的金属基碳纤维复合材料中由于碳纤维进行了排列,因此,可以通过碳纤维的排列方向控制热流的移动方向。该特征在使用进一步高集成化的半导体的电子装置等那样想要抑制对相邻元件的热转移的情况下是特别有用的。
附图说明
图1是表示本发明金属基碳纤维复合材料的制造中所使用的装置的一个例子的图。
图2是表示实施例1中所得到的金属基碳纤维复合材料截面的光学显微镜照片的图。
图3是表示用于对可作为连续纤维处理的碳纤维粘附金属粉末的装置的一个例子的图。
符号说明:1容器2模具3下部冲头4上部冲头5台板6柱塞7电源
8金属纤维混合物21放线轴22卷线轴23干燥装置24容器25搅拌装置30纤维束31金属粉末悬浮液具体实施方式本发明的第1实施方式是通过烧结金属和碳纤维所得到的金属基碳纤维复合材料。该金属基碳纤维复合材料是通过后面详细描述的将在固相中预先混合的金属和碳纤维的复合体通过脉冲通电烧结法进行烧结而得到的。
本发明中使用的碳纤维可以是沥青类碳纤维、PAN类碳纤维、气相生长碳纤维、碳纳米管、或者是将气相生长碳纤维或碳纳米管进行捻合而得到的纳米管·纳米纤维捻合线。沥青类碳纤维和PAN类碳纤维有长度达到数百米的市售品,可将其切断成所期望的长度来用于本发明中。还可以使用纳米管·纳米纤维捻合线。在使用沥青类碳纤维或PAN类碳纤维的情况下,具有5μm~20μm直径的纤维是适合的。此外,这些碳纤维还取决于所期望的复合材料的尺寸,可以以5mm或5mm以上,优选以10mm~1m的长度使用。优选使用具有从所期望的复合材料的一端至另一端的长度的碳纤维;优选使用将该碳纤维按1个方向排列,从该复合材料的一端至另一端为连续的碳纤维。这样的构成是在实现高热传导性方面是有效的。
另一方面,气相生长碳纤维和碳纳米管已知的有100nm~100μm的纤维长度的物质。此外,可以将沥青类碳纤维、PAN类碳纤维和纳米管·纳米纤维捻合线切断成5mm或5mm以下(例如100μm~5mm)的纤维长度后用于本发明中。在使用这些纤维的情况下,得到100nm~5mm长度的不连续的短纤维分散在金属基材中的金属基碳纤维复合材料。在特定的用途中,即使使用这样的不连续的短纤维,也可以通过将该纤维进行二维排列而得到足够的热传导性。所谓纤维被二维排列的状态,是指各个纤维的方向对于直角坐标系的3轴中的2个轴(例如x轴、y轴)来说是无秩序的,但不朝向另一个轴(例如z轴)的方向。在纤维的方向不朝向z轴的情况下,xy平面是热的易传导平面。
还可以将上述具有5mm或5mm以上长度的长纤维和上述100nm~5mm长度的不连续的短纤维混合使用。在这种情况下,得到在能够容易排列成1个方向的长纤维所形成的间隙间插入短纤维的结构的复合材料,容易使短纤维在1个方向上排列,在该排列方向上可以实现高的热传导性。
本发明中使用的金属是具有高热传导性的金属,包括铝、铝的合金、铜、铜的合金、镁或镁的合金。在以提高热传导性为主要目的的情况下,可以使用铜或铜的合金。此外,在以重量轻为主要目的的情况下,可以使用具有更小密度的铝、铝的合金、镁或镁的合金。特别是在制备具有2.6g/cm3或2.6g/cm3以下的密度的金属基碳纤维复合材料的情况下,使用铝、铝的合金、镁或镁的合金是有利的。如后面所述,在形成本发明的金属基碳纤维复合材料时,金属粘附在碳纤维表面。为了实施该粘附,该金属使用平均粒径为10nm~100μm、优选为10nm~50μm的粉末。
本发明的金属基碳纤维复合材料中,以该复合材料的总重量为基准,含有10~80重量%、优选30~80重量%,更优选50~80重量%的碳纤维。另外,本发明的金属基碳纤维复合材料具有理想密度的70%或70%以上、优选为90%~100%的相对密度。本发明中的所谓理想密度,是指在假定碳纤维填充到金属基材中直至没有空隙的情况下,从所使用的碳纤维和金属的密度、以及碳纤维与金属的组成比计算得到的密度。通过使金属基碳纤维复合材料具有上述范围内的组成和密度,即使在材料中还存在空隙,该复合材料也可以在碳纤维排列方向上具有300W/mK(瓦特每米每开尔文)的热导率。另外,本发明中所谓的“纤维排列方向”,是指在纤维长度为5mm或5mm以上的长纤维在1个方向上排列的情况下的该纤维的轴方向,在100nm~5mm长度的短纤维二维排列的情况下,是指热易传导平面的方向。
此外,通过对所使用的金属的种类和碳纤维的组成比进行最优化,本发明的金属基碳纤维复合材料的密度,在作为金属使用铝或铝的合金的情况下,期望具有2.6g/cm3或2.6g/cm3以下、优选为2.2~2.6g/cm3、更优选为2.2~2.5g/cm3的密度。在作为金属使用镁或镁的合金的情况下,期望具有2.1g/cm3或2.1g/cm3以下、优选为1.8~2.1g/cm3、更优选为1.9~2.1g/cm3的密度。这样具有低密度的复合材料在形成重量轻的散热部件(底板、散热器、传热器等)时是有用的。此外,在以高热传导性为目的,作为金属使用铜或铜的合金的情况下,本发明的金属基碳纤维复合材料期望具有6.8g/cm3或6.8g/cm3以下、优选为2.5~6.8g/cm3、更优选为2.5~4.6g/cm3的密度。
本发明的金属基碳纤维复合材料作为使用半导体的电子装置或功率模块的散热部件(底板、散热器、传热器等)是有用的。使用半导体的电子装置可以是例如,中央处理装置(CPU)、内存(memory)、各种装置的控制装置IC、平板显示装置、图像处理装置、通信装置(无线和有线)、光电混合电路等该技术中已知的任意装置。功率模块包括使用闸流晶体管、GTO、IGBT、IEGT等元件的变流器、倒相器。此外,由于在本实施方式的金属基碳纤维复合材料中,对碳纤维进行了排列,因此可以通过碳纤维的排列方向控制热流的移动方向。该特征例如在使用进一步高集成化的半导体的电子装置等那样想要抑制对相邻装置的热转移的情况下是特别有用的,例如通过将碳纤维从作为冷却对象的元件向着装置的上方排列,从而使热流主要向装置的上方移动成为可能。在将本发明的金属基碳纤维复合材料用作散热器或传热器这样的散热部件的情况下,该材料可被加工成适当的形状,安装成使这些装置中产生的热被输送至中间乃至最终冷却剂。此时,也可以在本发明的复合材料和这些装置的接合部,使用用于填充各表面的凹凸的柔软的传热介质(例如,可以分散银等高热传导性颗粒的硅脂、导热片等),实现从装置到复合材料的均匀的热传导。
以下,对本发明金属基碳纤维复合材料的制造方法进行详细说明。本发明制造方法的第1工序为:在固体状态下,将金属粉末与碳纤维混合,从而形成在碳纤维表面粘附金属的金属纤维混合物。
在使用纤维长度为5mm或5mm以上的长纤维(沥青类碳纤维、PAN类碳纤维或纳米管·纳米纤维捻合线)的情况下,为了使后续的金属纤维混合物的排列工序容易进行,本工序期望通过可以保持碳纤维的纤维方向的物理混合法实施。在这种情况中,可以使用棒磨机实施本工序,该棒磨机可以具有直径适当的棒状的粉碎手段。本工序中使用的棒磨机为了避免碳纤维扭捻或互相缠绕,期望具有足够小的内径,期望优选具有10mm~20mm的内径。
在使用纤维长度为100nm~5mm长度的短纤维(气相生长碳纤维或碳纳米管)的情况下,可以通过利用球磨机、辊磨机、高速旋转磨机等的物理混合法实施本工序。另外,在本工序中,可以使用预先另外粉碎成具有前述粒径的金属粉末,还可以使用具有更大粒径的金属粉末,同时进行金属粉末的粉碎和对碳纤维的粘附。
此外,在可以作为连续纤维来处理的沥青类碳纤维、PAN类碳纤维以及纳米管·纳米纤维捻合线的情况下,例如使用如图3所示的装置,通过在溶剂中分散金属粉末制得的悬浮液中浸渍这些长纤维,可以高效率·高精度地得到粘附金属粉末的纤维束。在本发明中,所谓的“可以作为连续纤维处理”,是指纤维的长度为100mm或其以上。在图3的装置中,从放线轴21将纤维束30解卷,将其浸渍到被搅拌装置25搅拌的容器24内的金属粉末悬浮液31中,将粘附了金属粉末的纤维束30卷取到卷线轴22上。其中,在卷取到卷线轴22之前,还可以使用温风干燥机等干燥装置23,将粘附在纤维束30上的溶剂蒸发除去。可用于金属粉末悬浮液31中的溶剂,在所分散的金属粉末为铝、镁和以它们为基的合金的情况下,可以选自甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、己烷、苯、二甲苯、甲苯、二甲醚、二乙醚、乙甲醚、氯仿这些有机溶剂。此外,在分散铜和铜基合金的粉末的情况下,除了这些有机溶剂以外,还可以选择水。期望金属粉末悬浮液31进一步含有Pluronic(聚丙二醇与环氧乙烷的加聚物)类分散剂(Pluronic(注册商标)F-68等)或聚乙二醇等,以促进金属粉末对纤维束的均匀粘附。通过该方法得到的复合材料中的碳纤维含量的控制可以通过金属粉末对纤维束的粘附量来控制。此外,金属粉末粘附量的控制可以通过对悬浮液的粉末混合量、浸渍在金属粉末悬浮液中的纤维束的长度、通过金属粉末悬浮液中的纤维束的速度和/或分散粘合剂浓度等进行控制而实现。
本发明制造方法的第2工序为在烧结装置的夹具中对金属纤维混合物(或金属粉末粘附纤维束)进行排列的同时进行填充的工序。可以在本发明中使用的烧结装置在图1中示出。图1的烧结装置具备:容器1、由具有贯通孔的模具2以及与该贯通孔嵌合的下部冲头3和上部冲头4构成的夹具、对下部冲头3和上部冲头4施加压力的台板5以及柱塞6、与下部冲头3和上部冲头4相连接并用于对金属纤维混合物8通电流的电源7。
在模具2上嵌合下部冲头3形成的凹部中,边对纤维进行排列,边填充金属纤维混合物8。在使用纤维长度为5mm或5mm以上的长纤维的情况下,期望在填充时对纤维进行排列。在使用纤维长度为100nm~5mm长度的短纤维的情况下,可以在填充时对纤维进行排列,也可以在后述的烧结工序中在烧结的同时进行纤维的排列。
其中,在使用通过上述的悬浮液浸渍法所得到的金属粉末粘附纤维束的情况下,可以从卷线轴上解卷的金属粉末粘附纤维束切断成适当的长度,将切断后的金属粉末粘附纤维束在由模具2和下部冲头3形成的凹部中进行排列的同时进行填充。此外,在金属粉末悬浮液中使用分散粘合剂的情况下,期望在配置上部冲头之前,或在配置上部冲头后的1~10MPa的低加压状态下,在真空中或在惰性气氛(氮气、氩气、氦气等)下,将填充的金属粉末粘附纤维束加热至200~400℃的温度以除去分散粘合剂,从而形成由金属粉末和碳纤维构成的金属纤维混合物8。分散粘合剂的加热除去工序可以在进一步具备加热装置的脉冲通电烧结装置中进行,也可以在另外的加热装置中进行。另外,在将铜粉末用作金属粉末的情况下,还可以在氧化性气氛(空气、富氧空气或纯氧气等)中进行分散粘合剂的加热除去工序。
接着,在被填充了的金属纤维混合物8的上方配置上部冲头4,将组合后的夹具设置在容器1内挤压机的台板5和柱塞6之间,实施烧结工序。烧结工序优选在大气中、真空中或惰性气氛中实施。为了使容器1内形成真空,容器1还可以具有与适当的真空排气系统相连接的排气口(未图示)。在真空中进行烧结工序的情况下,期望容器内压力为0~20Pa,优选为0~5Pa。此外,容器1还可以具有惰性气体导入口和气体排出口(均未图示),用惰性气体(氮气、氩气、氦气等)净化容器1以实现惰性气氛。
接着,用柱塞按压上部冲头4,对金属纤维混合物8施加压力。所施加的压力期望为10~100MPa,优选在20~50MPa的范围内。
然后,使用与下部冲头3和上部冲头4相连接的电源7,对金属纤维混合物8通脉冲式的电流以实施烧结。此时所使用的电流的脉冲宽度期望为0.005~0.02秒、优选为0.005~0.01秒,电流密度(以模具2的贯通孔的截面积为基准)为5×105~2×107A/m2、优选为5×106~1×107A/m2。用于实现这样的电流密度的电压取决于包含金属纤维混合物8的导电通路的电阻值,该电压通常在2~8V的范围内。脉冲式电流的通入持续至所期望的烧结结束,该持续时间根据复合材料的尺寸、电流密度、碳纤维的混合比等而有变化。
如上所述通过通入脉冲式电流,发生金属颗粒的塑性变形和粉末间的融合而进行烧结。在本工序这样使用脉冲式电流的情况下,与对金属纤维混合物整体进行加热不同,发热集中在需要产生金属颗粒结合的部位,因此可以更有效地利用电流的能量,更快速地进行烧结。此外,金属纤维混合物整体的温度不会上升过高,不会因金属-碳纤维间的反应而生成碳化物,在这一点上,比现有的熔融金属含浸法更为有利。因此,可以使用未施加涂层等的便宜的碳纤维,就可得到具有优异特性的金属基碳纤维复合材料。此外,在通电初期产生的等离子体具有除去吸附在粉末上的气体和氧化涂膜等的作用,在这一点上,比通常的电阻加热法更为有利。
在使用纤维长度为100nm~5mm长度的短纤维的情况下,还可以在该烧结阶段进行纤维的排列。即,在伴随着通脉冲式电流所引起的金属颗粒的烧结而发生变形时,棒状颗粒(短纤维)从冲头引起的负荷施加方向倒下,排列成与负荷施加方向垂直的面平行的方向。此时,与负荷施加方向垂直的面成为热的易传导平面。
在混合使用具有5mm或5mm以上长度的长纤维和100nm~5mm长度的不连续的短纤维的情况下,通过与上述相同的作用,可以使填充时无法与长纤维平行排列的短纤维,在烧结工序中与长纤维平行排列。
实施例1在内径为13mm的棒磨机中放置6g平均粒径为30μm的铝粉末(キシダ化学制造)、和3g纤维长度为20cm、直径为10μm的沥青类碳纤维(日本グラフアイトフアィバ一制造,YS-95A)、和直径5mm×长度20mm的玻璃棒。使棒磨机沿着棒磨机的轴旋转以实施混合,从而得到金属纤维混合物。
接着,在图1所示的装置中填充金属纤维混合物,将装置内压力设置为8Pa。在本实施例中,使用具有20×20cm贯通孔的模具。嵌合模具与下部冲头,在由此形成的凹部中,填充金属纤维混合物并使得碳纤维沿1个方向排列。接着,在填充了的金属纤维混合物的上方配置上部冲头,通过柱塞施加25MPa的压力。
然后,使用与上部冲头和下部冲头相连接的电源,在20分钟内通入脉冲宽度为0.01秒、电流密度为1×107A/m2(最高)、电压为5V(最高)的脉冲式电流,对金属纤维混合物进行烧结,制备具有20×20×8cm尺寸的金属基碳纤维复合材料。
所得到的金属基碳纤维复合材料以复合材料的总重量为基准含有45%的碳纤维,具有1.91g/cm3的密度。该材料的理想密度为2.40g/cm3,相对密度为78%。所得到的复合材料截面的光学显微镜照片在图2中示出。此外,测定所得到的复合材料的热导率,在碳纤维排列方向上得到350W/mK的值。
实施例2除了将碳纤维的量改变为4g,将铝粉末的量改变为4g以外,重复实施例1的过程。所得到的金属基碳纤维复合材料以复合材料的总重量为基准含有60%的碳纤维,具有1.75g/cm3的密度。该材料的理想密度为2.38g/cm3,相对密度为73%。测定所得到的复合材料的热导率,在碳纤维排列方向上得到300W/mK的值。
实施例3本实施例提供如下的金属基碳纤维复合材料:对可以作为连续纤维处理的碳纤维,使用利用铝粉末悬浮液的悬浮液浸渍法制备金属纤维混合物,通过脉冲通电烧结法对所制备的金属纤维混合物进行烧结,从而得到金属基碳纤维复合材料。
作为碳纤维,使用具有1000W/mK热导率的直径为10μm的沥青类碳纤维,将6000根该纤维的束卷到放线轴2上。作为铝粉末,使用具有1μm或其以下的厚度、和30μm的平面方向平均代表长度的薄片状粉末。在含有2重量%(以乙醇的重量为基准)的分散粘合剂(Pluronic(注册商标)F68)的乙醇中,混合铝粉末以形成金属粉末悬浮液。以悬浮液的重量为基准,铝粉末的含量为30重量%。从放线轴解下碳纤维束,将其浸渍到被搅拌着的金属粉末悬浮液中,拉起到大气中,温风干燥(50℃),卷取到卷线轴上,从而得到粘附了铝粉末的碳纤维束。
将如上制得的粘附了铝粉末的碳纤维束解下,切断成20mm的长度,在将该纤维束沿1个方向整齐排列的状态下,在由下部冲头和模具形成的20mm边长的矩形状凹部内铺满8g该纤维束。接着,使装置内压力为8Pa,在铺满的纤维束的上方配置上部冲头,通过柱塞施加25MPa的压力。然后,使用连接到上部冲头和下部冲头上的电源,经10分钟通入脉冲宽度为0.01秒、电流密度为5×106A/m2(最高),电压为8V(最高)的脉冲式电流,对粘附了铝粉末的纤维束进行烧结,从而得到金属基碳纤维复合材料。
所得到的金属基碳纤维复合材料,具有50%的碳纤维含量,显示出2.3g/cm3的密度(理想密度的95%)和400W/mK的热导率。
实施例4本实施例提供如下的金属基碳纤维复合材料:对可以作为连续纤维处理的碳纤维,使用利用铜粉末悬浮液的悬浮液浸渍法制备金属纤维混合物,通过脉冲通电烧结法对所制备的金属纤维混合物进行烧结,从而得到金属基碳纤维复合材料。
作为碳纤维,使用具有1000W/mK热导率的直径为10μm的沥青类碳纤维,将6000根该纤维的束卷至放线轴上。作为铜粉末,使用具有1μm或其以下的厚度、和30μm的平面方向平均代表长度的薄片状粉末。在含有2重量%(以乙醇的重量为基准)的分散粘合剂(Pluronic(注册商标)F68)的乙醇中混合铜粉末以形成金属粉末悬浮液。以悬浮液的重量为基准,铜粉末的含量为60重量%。从放线轴解下碳纤维束,将其浸渍到被搅拌着的金属粉末悬浮液中,拉起到大气中,温风干燥(50℃),卷取到卷线轴上,从而得到粘附了铜粉末的碳纤维。
将如上制得的粘附了铝粉末的碳纤维束解下,切断成20mm的长度,在将该纤维束沿1个方向整齐排列的状态下,在由下部冲头和模具形成的20mm边长的矩形状凹部内铺满12g该纤维束。接着,使装置内压力为10Pa,在铺满的纤维束上方配置上部冲头,通过柱塞施加25MPa的压力。此外,使用连接在上部冲头和下部冲头上的电源,经10分钟通入脉冲宽度为0.01秒、电流密度为5×106A/m2(最高),电压为8V(最高)的脉冲式电流,对粘附了铝粉末的纤维束进行烧结,从而得到金属基碳纤维复合材料。
所得到的金属基碳纤维复合材料,具有30%的碳纤维含量,显示出4.5g/cm3的密度(理想密度的97%)和550W/mK的热导率。

Claims (18)

1.一种金属基碳纤维复合材料,该金属基碳纤维复合材料是对金属和碳纤维进行烧结得到的金属基碳纤维复合材料,其特征在于,以上述复合材料的总重量为基准,包含10~80重量%的上述碳纤维,上述复合材料被烧结至理想密度的70%或70%以上。
2.根据权利要求1所述的金属基碳纤维复合材料,其特征在于,上述碳纤维选自由沥青类碳纤维、PAN类碳纤维、气相生长碳纤维、碳纳米管、纳米管·纳米纤维捻合线所组成的组中。
3.根据权利要求1所述的金属基碳纤维复合材料,其特征在于,上述金属选自由铜、铝、镁、以及以它们为基的合金所组成的组中。
4.根据权利要求3所述的金属基碳纤维复合材料,其特征在于,上述金属为铝或铝基合金,并且具有2.6g/cm3或2.6g/cm3以下的密度。
5.根据权利要求3所述的金属基碳纤维复合材料,其特征在于,上述金属为铜或铜基合金,并且具有6.8g/cm3或6.8g/cm3以下的密度。
6.根据权利要求3所述的金属基碳纤维复合材料,其特征在于,上述金属为镁或镁基合金,并且具有2.1g/cm3或2.1g/cm3以下的密度。
7.根据权利要求1所述的金属基碳纤维复合材料,其特征在于,上述碳纤维是被排列了的。
8.根据权利要求7所述的金属基碳纤维复合材料,其特征在于,在碳纤维排列方向上具有300W/mK或300W/mK以上的热导率。
9.一种使用半导体的电子设备,其特征在于,将权利要求1~8中任一项所述的金属基碳纤维复合材料用作散热部件。
10.一种功率模块,其特征在于,将权利要求1~8中任一项所述的金属基碳纤维复合材料用作散热部件。
11.一种金属基碳纤维复合材料的制造方法,其特征在于,将碳纤维与金属粉末物理混合,得到金属纤维混合物的工序1,排列上述金属纤维混合物的同时填充至夹具中的工序2,以及将上述夹具设置在大气中、真空中或惰性气氛中,加压的同时直接通上脉冲电流,利用由此引起的发热进行烧结的工序3。
12.根据权利要求11所述的金属基碳纤维复合材料的制造方法,其特征在于,上述碳纤维选自由沥青类碳纤维、PAN类碳纤维、气相生长碳纤维、碳纳米管、以及纳米管·纳米纤维捻合线所组成的组中。
13.根据权利要求11所述的金属基碳纤维复合材料的制造方法,其特征在于,上述金属选自由铜、铝、镁和以它们为基的合金所组成的组中。
14.根据权利要求11所述的金属基碳纤维复合材料的制造方法,其特征在于,上述碳纤维的纤维长度为100nm~5mm,上述工序1利用球磨机等的物理混合法实施。
15.根据权利要求11所述的金属基碳纤维复合材料的制造方法,其特征在于,上述碳纤维的纤维长度为5mm或5mm以上,上述工序1通过保持纤维方向的物理混合法实施。
16.根据权利要求11所述的金属基碳纤维复合材料的制造方法,其特征在于,上述碳纤维的纤维长度为100mm或100mm以上,上述工序1通过将纤维束浸渍到金属粉末悬浮液中来实施。
17.根据权利要求11所述的金属基碳纤维复合材料的制造方法,其特征在于,上述碳纤维是沥青类碳纤维、PAN类碳纤维、或纳米管·纳米纤维捻合线与气相生长碳纤维或碳纳米管的混合物。
18.根据权利要求11所述的金属基碳纤维复合材料的制造方法,其特征在于,在上述工序2中,对上述碳纤维的方向进行二维控制。
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