JP2000160309A - 高性能アルミニウム基複合材料 - Google Patents

高性能アルミニウム基複合材料

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JP2000160309A
JP2000160309A JP33001598A JP33001598A JP2000160309A JP 2000160309 A JP2000160309 A JP 2000160309A JP 33001598 A JP33001598 A JP 33001598A JP 33001598 A JP33001598 A JP 33001598A JP 2000160309 A JP2000160309 A JP 2000160309A
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ceramic particles
matrix
carbon fibers
thermal
particles
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JP33001598A
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Junji Ninomiya
淳司 二宮
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Furukawa Electric Co Ltd
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低熱膨張係数と高熱伝導率が安定して得られ
る高性能アルミニウム基複合材料を提供する。 【解決手段】 Alマトリックス中に炭素繊維が分散し
ており、前記炭素繊維の表面にセラミックス粒子が分散
付着している。 【効果】 炭素繊維の表面に分散付着しているセラミッ
クス粒子がAlマトリックスと炭素繊維間に生じる熱ス
トレスを緩和するため、使用中に繰返し熱変動が掛かっ
てもAlマトリックスと炭素繊維間の界面特性は良好に
保持され、低熱膨張係数と高熱伝導率が安定して得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、低熱膨張係数と高
熱伝導率が安定して得られる、電子機器用部材などに有
用な高性能アルミニウム基複合材料に関する。
【0002】
【従来の技術】電子機器などに用いられる部材には、従
来より、熱歪みが生じ難い低熱膨張材としてFe−Co
合金(コバール)、42アロイなどのNi合金、Cu−
W合金などが用いられ、また放熱性に優れる高熱伝導率
の材料としてCu、Al、これらの合金などが用いられ
てきたが、近年、熱歪みが生じ難くかつ放熱性に優れる
材料が要求されるようになり、それに応じて高熱伝導率
のAlマトリックスに低熱膨張係数の炭素繊維を分散さ
せた複合材料が開発された。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記複合材料
は、Alマトリックスと炭素繊維との濡れ性が悪く、両
者間で良好な界面特性が得られないうえ、Alマトリッ
クスと炭素繊維とは熱膨張係数が著しく異なるため使用
中に繰返し掛かる熱変動によりAlマトリックスと炭素
繊維間に大きな熱ストレスが生じてAlマトリックスと
炭素繊維の界面が剥離し、当該複合材料の低熱膨張係数
と高熱伝導率は劣化してしまうという問題がある。な
お、Alと炭素繊維の熱膨張係数は、それぞれ24×1
-6/℃および−1×10-6/℃である。本発明は、こ
のような状況に鑑みなされたもので、使用中に繰返し熱
変動が掛かってもAlマトリックスと炭素繊維の界面が
剥離することがなく低熱膨張係数と高熱伝導率が安定し
て得られる高性能アルミニウム基複合材料の提供を目的
とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
Alマトリックス中に炭素繊維が分散しており、前記炭
素繊維の表面にセラミックス粒子が分散付着しているこ
とを特徴とする高性能アルミニウム基複合材料である。
【0005】請求項2記載の発明は、全分散材(炭素繊
維とセラミックス粒子)に占めるセラミックス粒子の体
積率が20〜45%であることを特徴とする請求項1記
載の高性能アルミニウム基複合材料。
【0006】請求項3記載の発明は、セラミックス粒子
の平均粒径が0.5〜10μmであることを特徴とする
請求項1または2記載の高性能アルミニウム基複合材料
である。
【0007】請求項4記載の発明は、セラミックス粒子
がSiC粒子であることを特徴とする請求項1、2、3
のいずれかに記載の高性能アルミニウム基複合材料であ
る。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の複合材料は、Alマトリ
ックス中に分散させる炭素繊維の表面にセラミックス粒
子を分散付着させて、炭素繊維とAlマトリックス間の
熱ストレスを緩和したものである。
【0009】本発明において、炭素繊維は、Alマトリ
ックスの熱伝導率を低下させずに、複合材料の熱膨張係
数を低下させる働きがある。前記炭素繊維にはグラファ
イト質のものと炭素質のものとがあるが、グラファイト
質または結晶構造がグラファイト質に近いものが望まし
い。炭素質のものはセラミックス粒子を介在させてもA
lマトリックスとの間で十分な界面特性が得られない場
合があり、使用中にA13 4 などの化合物が生成して
界面特性が劣化することも考えられるためである。
【0010】前記炭素繊維表面に分散付着させるセラミ
ックス粒子は、熱膨張係数が炭素繊維とAlマトリック
スの中間に位置するものであり、そのため炭素繊維とA
lマトリックス間の熱膨張差に基づく熱ストレスを緩和
する働きがある。前記セラミックス粒子の全分散材(炭
素繊維とセラミックス粒子)に占める体積率は、20%
未満では前記界面における熱ストレスが十分低減せず、
45%を超えると炭素繊維(セラミックス粒子を含む)
成形体作製時に炭素繊維が多量に折損してしまって、前
記成形体における炭素繊維の体積充填率が頭打ちになっ
てしまう。従って前記体積率は20〜45%が好まし
い。
【0011】本発明において、セラミックス粒子にはA
2 3 、TiO2 、SiC、ZrC、AlNなどの酸
化物、炭化物、窒化物などが適用される。特に、SiC
粒子は、Alとの濡れ性が良く、熱膨張係数も小さく、
更にA12 3 、TiO2 、ZrC等より熱伝導率も高
い。このため熱伝導率をあまり低下させないで界面剥離
を抑制できる。
【0012】セラミックス粒子の平均径が0.5μm未
満ではセラミックス粒子が玉状に凝集して付着するため
セラミックス粒子による熱ストレス緩和効果が十分に得
られない。また前記平均径が10μmより大きいと炭素
繊維表面に付着する粒子数が減少して、やはり熱ストレ
ス緩和効果が十分に得られない。従って前記セラミック
ス粒子の平均径は0.5〜10μmが望ましい。
【0013】Alマトリックスには、純Al、Al−M
g系合金、Al−Si系合金、Al−Zn系合金などが
適用できるが、特にAl−Si系合金は鋳造性に優れ好
適である。特に、Al−Si系合金のSi量は12〜2
5wt%が望ましい。
【0014】
【実施例】以下に本発明を実施例により具体的に説明す
る。 (実施例1)無機バインダーを主成分とする水溶液中
に、炭素繊維(直径10μm、長さ150μm)とSi
C粒子(平均粒径10μm、熱膨張係数4×10-6/℃)
を入れて攪拌し、この中に凝集剤を添加して炭素繊維表
面にSiC粒子を分散付着させてスラリーとした。次に
このスラリーを成形金型に入れて成形金型底部より真空
脱水して外形寸法が100mm×100mm×10mm
の繊維成形体を作製した。前記繊維成形体の作製にあた
り成形金型底部から真空脱水した。このため炭素繊維は
その長さ方向が繊維成形体の表面に平行にかつ脱水方向
に配向した。全分散材(炭素繊維とSiC粒子)に占め
るSiC粒子の体積率は種々に変化させた。前記体積率
が45%を超えると炭素繊維の折損が激しくなり、前記
成形体における炭素繊維の体積充填率が頭打ちとなっ
た。
【0015】次に、この繊維成形体を、乾燥後、アルゴ
ン雰囲気炉内で500℃に予熱したのち、前記繊維成形
体と同じ形状のキャビティを有する250℃に予熱した
鋳造金型に入れ、この金型内に750℃のAl−20%
Si合金溶湯を射出速度10cm/secで鋳込み、鋳
込み後、前記溶湯を1000atmの圧力で1分間加圧
保持し、その後、前記溶湯を凝固させて炭素繊維が表面
に平行に配向したAl基複合材料を製造した。
【0016】(比較例1)炭素繊維にSiC粒子を分散
付着させなかった他は、実施例1と同じ方法によりAl
基複合材料を製造した。
【0017】実施例1および比較例1で製造した各々の
複合材料について熱衝撃試験を行った。この熱衝撃試験
は、複合材料を125℃の加熱雰囲気と−40℃の冷却
雰囲気に交互に投げ込む操作を500回繰り返す方法に
より行った。前記複合材料の熱膨張係数と熱伝導率を熱
衝撃試験の前後で測定して、その耐熱衝撃性を評価し
た。
【0018】
【表1】 注)成形体における炭素繊維体積率、SiC粒子体積率、☆:×10-6/℃。
【0019】
【表2】 注)成形体における炭素繊維体積率、SiC粒子体積率、☆:×10-6/℃。
【0020】表1、2より明らかなように、本発明例の
No.1〜11は、いずれも、熱膨張係数および熱伝導率が、
熱衝撃試験の前後で差がなく、耐熱衝撃性に優れるもの
であった。特に、全分散材に占めるSiC粒子の体積率
が20〜45%のものは優れていた。これに対し、比較
例の No.12〜14は、いずれも、熱衝撃試験後に、熱膨張
係数が増加し、また熱伝導率が減少し、No.15 は熱衝撃
試験後に、熱膨張係数および熱伝導率がともに増加し、
いずれも耐熱衝撃性に劣るものであった。これは、炭素
繊維表面に、炭素繊維とAlマトリックス間の熱ストレ
スを緩和するセラミックス粒子が分散付着されていなか
ったためである。
【0021】(実施例2)SiC粒子の平均粒径を種々
に変化させた他は、実施例1と同じ方法によりAl基複
合材料を製造した。なお、成形体に占める炭素繊維の体
積率は40%とし、全分散材に占めるSiC粒子の体積
率は30%とした。
【0022】得られた各々のAl基複合材料について実
施例と同じようにして熱衝撃試験を行い耐熱衝撃性を評
価した。なお、前記熱衝撃試験は200℃の加熱雰囲気
と−30℃の冷却雰囲気に交互に投げ込む操作を500
回繰り返す方法により行った。結果を表3に示す。
【0023】
【表3】 注)成形体における炭素繊維体積率、SiC粒子体積率、☆:×10-6/℃。
【0024】表3より明らかなように、本発明例の No.
21〜28は、いずれも、熱膨張係数および熱伝導率が、熱
衝撃試験の前後で差がなく、耐熱衝撃性に優れることが
判る。これは、Alマトリックスと炭素繊維間の熱スト
レスがSiC粒子により緩和されたためである。特に、
SiC粒子の平均粒径が0.5〜10μmのものは優れ
ていた。No.21はSiC粒子が小さかったため熱衝撃試
験後において熱膨張係数が若干増加し、 No.28はSiC
粒子が大きかったため熱伝導率が若干低下したが、実用
上問題ない程度であった。
【0025】(実施例3)セラミックス粒子の種類およ
び径を種々に変化させた他は、実施例1と同じ方法によ
りアルミニウム基複合材料を製造した。繊維成形体の体
積率は40%、炭素繊維に対する各種粒子の体積率は3
0%とした。結果を表4に示す。
【0026】
【表4】 注)成形体における炭素繊維体積率、セラミックス粒子体積率、 ☆:×10-6/℃。
【0027】表4より明らかなように、本発明例の No.
31〜39は、いずれも、熱膨張係数および熱伝導率が、熱
衝撃試験の前後で殆ど差がなく、耐熱衝撃性に優れてい
る。中でも、セラミックス粒子の平均粒径が0.5、
1.0μmのものは特に優れていた。
【0028】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明のアルミニ
ウム基複合材料は、Alマトリックス中に分散する炭素
繊維の表面にセラミックス粒子が分散付着していてAl
マトリックスと炭素繊維間に生じる熱ストレスが緩和さ
れるため、使用中に繰返し熱変動が掛かってもAlマト
リックスと炭素繊維間の界面特性は良好に保持され、低
熱膨張係数と高熱伝導率が安定して得られる。依って、
電子機器などに用いて顕著な効果を奏する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B22D 19/14 B22D 19/14 B // H01L 23/48 H01L 23/48 V

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Alマトリックス中に炭素繊維が分散し
    ており、前記炭素繊維の表面にセラミックス粒子が分散
    付着していることを特徴とする高性能アルミニウム基複
    合材料。
  2. 【請求項2】 全分散材(炭素繊維とセラミックス粒
    子)に占めるセラミックス粒子の体積率が20〜45%
    であることを特徴とする請求項1記載の高性能アルミニ
    ウム基複合材料。
  3. 【請求項3】 セラミックス粒子の平均粒径が0.5〜
    10μmであることを特徴とする請求項1または2記載
    の高性能アルミニウム基複合材料。
  4. 【請求項4】 セラミックス粒子がSiC粒子であるこ
    とを特徴とする請求項1、2、3のいずれかに記載の高
    性能アルミニウム基複合材料。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009038048A1 (ja) 2007-09-18 2009-03-26 Shimane Prefectural Government 金属被覆炭素材料およびそれを用いた炭素-金属複合材料
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CN112981189A (zh) * 2021-02-03 2021-06-18 同济大学 一种可自生成纳米级网状保护层的混合增强铝基复合材料

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