JP2001073102A

JP2001073102A - 高熱伝導性、低熱膨張性を持つ炭素繊維分散アルミニウム基複合材料

Info

Publication number: JP2001073102A
Application number: JP24494599A
Authority: JP
Inventors: Akira Kawahara; 晃川原; Junji Ninomiya; 淳司二宮
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2001-03-21

Abstract

(57)【要約】【課題】高熱伝導性、低熱膨張性を持つ炭素繊維分散
アルミニウム基複合材料を提供する。【解決手段】マトリックスがマグネシウムを０．１〜
１０重量％含むアルミニウム−マグネシウム合金、分散
材の炭素繊維の表面層は珪素を含有したもので、この炭
素繊維同士が炭素を主成分とするバインダーで固着及び
連通されている炭素繊維分散アルミニウム基複合材料
で、高熱伝導性、低熱膨張性を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明、炭素繊維を分散した
アルミニウム基複合材料に係り、特に低熱膨張で高い熱
伝導性を有し熱的な衝撃に対してもこれらの熱特性が劣
化しない炭素繊維分散アルミニウム基複合材料に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、電子機器その他の産業部材とし
て、低熱膨張でまた、放熱性を高めるために熱特性に優
れた材料が要求されている。従来、このような分野に適
用する材料には、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、アル
ミナ、窒化アルミニウムなどの低熱膨張係数を持つ材
料、もしくはＣｕ、Ａｌなどの高熱伝導性の金属があ
る。さらに近年では、これらの材料に対し高熱伝導性か
つ熱膨張係数の小さい炭素繊維を分散材とし、マトリッ
クスとして高熱伝導性のアルミニウム等の金属で構成さ
れた複合材料の検討が行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように検討されている複合材料は、分散材の炭素繊維は
マトリックスのアルミニウムと濡れ性が悪く、そのため
複合材料中の繊維とマトリックスの界面の密着性が不十
分なものである。また、炭素繊維同士の接着点（面）も
密着性が弱いために剥離の起点となる。これらの問題を
解決する方法としては、（１）マトリックスを変更す
る、（２）炭素繊維に表面処理を施す、（３）炭素繊維
同士の固着をバインダーを用いて改善する、ことが挙げ
られる。上記の解決方法（２）に関して、炭素繊維成形
体の作製時に用いるアルミナ、シリカ等の無機バインダ
ーは、炭素繊維表面とアルミニウムとの濡れ性を向上さ
せるものの炭素繊維と無機バインダー間の界面の密着性
は十分ではなく、このような複合材料に熱ストレスを繰
り返して加えると剥離が生じ熱膨張係数が劣化するとい
う問題がある。また、無機バインダーを用いると、炭素
繊維と無機バインダーの界面が熱障壁となり十分な熱伝
導特性を示さないという問題もある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明はこれらの問題を
鑑みて、高熱伝導性と高信頼性を両立させるために炭素
繊維／マトリックス合金界面の密着性を改善したもので
ある。すなわち、本発明は、０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ
％以下のマグネシウムを含んだアルミニウム合金をマト
リックスとし、表面層に硅素を重量比５％以上４０％以
下で含有する炭素繊維を分散材とし、それら分散材を固
着、連通させる炭素を主成分とするバインダーを体積充
填率で１０％以上６０％以下加えたことを特徴とする高
熱伝導性、低熱膨張性を有する炭素繊維分散アルミニウ
ム基複合材料である。

【０００５】また、本発明の炭素繊維分散アルミニウム
基複合材料は、分散材である炭素繊維が複合材料の熱膨
張を抑制しようとする方向に二次元ランダム状態で配向
しており、厚み方向に層構造をとっていることを特徴と
するものである。さらに、本発明の炭素繊維分散アルミ
ニウム基複合材料は、分散材である炭素繊維の表面が炭
化珪素になっており、さらに炭素繊維内部に向かって珪
素が減少する濃度分布を持つことを特徴とするものであ
る。

【０００６】

【作用】本発明の炭素繊維を分散したアルミニウム基複
合材料は、分散材である炭素繊維が炭素を主成分とする
バインダーで固着及び連通されているため高い熱伝導率
を示し、また炭素繊維の表面層は珪素を含有し、さらに
マトリックスがマグネシウムを０．１〜１０重量％含む
アルミニウム−マグネシウム合金であることにより、マ
トリックスと炭素との濡れ性が良好で界面の密着性が改
善されているものであり、そのため熱的なストレスを加
えても熱性能の劣化が生じることがない信頼性の高い、
高熱伝導性、低熱膨張性を持つものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の炭素繊維を分散したアル
ミニウム基複合材料において、その分散材である炭素繊
維はグラファイト質かグラファイト質に近い構造のもの
が適当である。炭素質のものでは、複合化後十分な界面
特性が得られないことがあり、その特性劣化を招くＡｌ
_３Ｃ_４などの化合物が生じるためである。また、炭素を
主成分とするバインダーとしては、炭素繊維の成形体を
作成後、焼成時に固化し、グラファイト化する樹脂が好
ましい。特にグラファイト収率の高いピッチ系樹脂、フ
ェノール樹脂等が適当である。

【０００８】また、本発明の炭素繊維を分散したアルミ
ニウム基複合材料は、バインダーとして炭素を主成分と
するものを用いているのでバインダーを多く加えても繊
維表面に付着しないということがなく、炭素繊維同士の
固着および連通が十分に確保されるものであり、十分な
熱伝導特性が得られるものである。本発明の炭素繊維を
分散したアルミニウム基複合材料に対して、バインダー
の体積充填率は１０〜６０％にする必要がある。その理
由は、体積充填率が１０％未満では十分な熱伝導特性を
得ることが出来ず、また６０％を越えるとバインダーの
熱伝導率が律速となり、より十分な熱伝導特性を得るこ
とが出来なくなるためである。熱伝導特性のみを考慮し
た場合、バインダーの体積充填率としては１０〜４０％
がより好ましい。

【０００９】本発明の炭素繊維を分散したアルミニウム
基複合材料は、その分散材である炭素繊維が、複合材料
の熱膨張を抑制しようとする方向に二次元ランダム状態
に配向していることが好ましい。それにより炭素繊維に
よるアンカー効果をより有効に発現することができる。
また、炭素繊維長手方向での熱伝導率が高いため熱移送
を有効に行うことができるものである。

【００１０】また、本発明の炭素繊維を分散したアルミ
ニウム基複合材料は、分散材である炭素繊維の表面の一
部がＳｉＣ化していることにより、マトリックス合金と
の密着性をさらに改善させている。炭素繊維の表層近傍
部、及び表面をＳｉＣ化する方法としては、Ｓｉの粒子
を予め成形体内に混入し、これを高温で溶解、流動、反
応させる方法、或いはＳｉＯ（一酸化珪素）を含む気体
（シランガス等）を炭素繊維成形体に流し化学反応させ
る方法を用いることができる。分散材中のＳｉ重量比は
５〜４０％であることが必要である。Ｓｉ量が５％より
少ないと炭素繊維表面のＳｉＣ化量が小さく、本発明の
炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材界面の改善が
十分になされない。またＳｉ量が４０％を越えると熱膨
張係数及び熱伝導率ともにＳｉが律速となり十分な性能
が得られない。特にＳｉ粒子を成形体内に混入する場
合、溶解しやすいＳｉ粒径として、１〜５０μｍである
ことが好ましい。

【００１１】また、本発明の分散材である炭素繊維の表
面が炭化珪素になっており、さらに炭素繊維内部に向か
って珪素が減少する濃度分布を持つことにより、マトリ
ックスの界面では密着性を上げることができ、また炭素
繊維内部に向かって珪素が減少する濃度分布により界面
での熱膨張差によるストレスを軽減することができるも
のである。

【００１２】本発明の炭素繊維を分散したアルミニウム
基複合材料は、そのマトリックスがＭｇを０．１〜１０
重量％含むアルミニウム合金であり、このＭｇはアルミ
ニウム溶湯の分散材との界面を活性化させる元素である
ため、アルミニウムの表面張力を低下させて炭素繊維へ
の濡れ性を改善させる。さらには分散材とこの合金の溶
湯との界面に濃縮され、溶湯の分散材への濡れ性を改善
させる効果があるため炭化珪素のコーティングが十分で
ない炭素繊維部分の界面特性（溶湯の濡れ性）が改善さ
れる。また脆性である炭化物を生成しないことからもア
ルミニウム基複合材料としたときの界面特性の向上が実
現できる。ただしＭｇが０．１重量％未満では、十分な
界面特性の改善が得られない。また１０重量％を越える
と含浸性が劣化し、鋳造欠陥である”す”の発生につな
がる。また、熱伝導率、熱膨張係数も本発明の範囲内よ
り劣化するため適当でない。

【００１３】また、本発明の炭素繊維を分散したアルミ
ニウム基複合材料の製造は、炭素を主成分とするバイン
ダーを用い、さらにまた炭素繊維の表層の一部をＳｉＣ
化して作製した炭素繊維成形体を鋳造金型に入れ、アル
ミニウム−マグネシウム合金溶湯を鋳込みマトリックス
を含浸させるものである。

【００１４】

【実施例１】本発明の実施例１について表１に示し説明
する。まず、所定量のピッチ系樹脂を２００℃程度に加
熱し、これに繊維径１０μｍ、繊維長５００μｍの高配
向の炭素繊維を所定量投入してスラリーを作製した。こ
のスラリーにさらに粒径が平均４０μｍであるＳｉ粒子
を混入した。これを金型に入れてプレス成形を行い、乾
燥硬化後、１９００℃で保持した。この保持によってＳ
ｉの粒子は溶解し、炭素繊維表面を流動しながら繊稚表
面の炭素と化学反応してＳｉＣ化しているものである。
このようにして寸法２００ｍｍ×１５０ｍｍ×１０ｍｍ
の炭素繊維成形体を得た。この炭素繊維成形体は、分散
材である炭素繊維が炭素を主成分とするバインダーで固
着及び連通されており、繊維の表面近傍がＳｉＣ化して
いることによりマトリックス合金との界面での密着性が
改善されているものであり、またプレス成形により炭素
繊維はその長手方向が面方向に、ランダムに配列し厚み
方向には層構造をとるものである。

【００１５】次に、この炭素繊維成形体を予熱炉にてア
ルゴン雰囲気中で７００℃に加熱した。成形体と同形状
のキャビテイを有する２５０℃に予熟した鋳造金型に、
予熱炉から取り出した繊維成形体を設置した。そして、
溶湯鍛造法による加圧鋳造装置で型締め後、Ｍｇを含む
アルミニウム合金の７５０℃の溶湯を、射出速度１０ｃ
ｍ／ｓｅｃで鋳込み、鋳込み後１０００ａｔｍの圧力で
一分間加圧保持後、凝固させた。

【００１６】表１は、上記のようにして作製したアルミ
ニウム基複合材料について、その炭素繊維の体積充填率
を変化させた発明例の熱特性を示すものである。熱伝導
率は、炭素繊維成形体の横方向にサンプルを作製し、レ
ーザーフラッシュ法を用いて測定した。また接触式によ
り熱膨張係数を測定し、熱的なストレスとして１２５
℃、−４０℃で、それぞ１０分ずつ保持した後、室温に
戻すサイクルを３０００回行ったものである。表１に示
すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８の発明例の炭素繊維分散
アルミニウム基複合材料は、熱的なストレスを加えた後
の熱膨張係数（１０^−６／Ｋ）に初期値に比べて劣化が
見られず、炭素繊維とマトリックスとの界面の密着性が
向上していることがわかる。

【００１７】また、発明例のＮｏ．３とＮｏ．４はバイ
ンダーの体積充填率が異なるものであり、これはバイン
ダーの体積充填率の増加は、熱伝導率の向上にはそれ程
関係しないか、熱膨張特性の向上（即ち、熱膨張係数の
低下）には大きく関係するものであることを示してい
る。これは発明例のＮｏ．５とＮｏ．６からも、また発
明例のＮｏ．７とＮｏ．８からも明らかである。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【実施例２】本発明の実施例２を表２に示す。。実施例
２は、上記実施例１と同様の製造条件によりアルミニウ
ム基複合材料を作製したもので、分散材である炭素繊維
は繊維径１０μｍ、繊維長５００μｍのもの、バインダ
ーはピッチ系樹脂であり、バインダーの体積充填率を変
化させたものを作製し、上記実施例１と同様に熱特性を
測定したものであり、表２は結果を示したものである。

【００２０】表２に示すように、発明例のＮｏ．９〜Ｎ
ｏ．１３の炭素繊維分散アルミニウム基複合材料は、バ
インダーの体積充填率を１０％〜５０％に変化させたも
のであるが、これらは、熱性能及び熱ストレスを加えた
後の劣化に対して実施例１と同様に、良好な結果が得ら
れたものである。比較例のＮｏ．１４はバインダーの体
積充填率が０．２％、比較例のＮｏ．１５はバインダー
の体積充填率が８％と少ないものであり、また比較例の
Ｎｏ．１６はバインダーの体積充填率が６５％と多いも
のである。このように発明例のＮｏ．９〜Ｎｏ．１３の
バインダーの体積充填率が１０％〜５０％の場合に較べ
て、バインダー量が少ない場合、多い場合ともに十分な
熱性能を得ることができなかった。

【００２１】

【表２】

【００２２】

【実施例３】本発明の実施例３を表３に示す。。実施例
３は、上記実施例１と同様の製造条件により作製したも
ので、この実施例３の炭素繊維を分散したアルミニウム
基複合材料は、分散材である炭素繊維は繊維径１０μ
ｍ、繊維長５００μｍ、バインダーはピッチ系樹脂、炭
素繊維の体積充填率は３０％、バインダーの体積充填率
は１５％に固定し、ＳｉＣ化させるＳｉの添加量を変化
させたものを作製し、上記実施例１と同様に熱持性を測
定したものであり、表３は結果を示したものである。

【００２３】表３に示すように、発明例のＮｏ．１７〜
Ｎｏ．２０の炭素繊維分散アルミニウム基複合材料は、
炭素繊維：Ｓｉの重量比を、９５：５から６０：４０で
変化させたもので、このようにＳｉが炭素繊維との重量
比で、炭素繊維：Ｓｉ＝６０〜９５：４０〜５であるこ
とにより熱特性にすぐれたアルミニウム基複合材料が得
られるものである。特に、発明例のＮｏ．１８，Ｎｏ．
１９のように炭素繊維：Ｓｉが８０：２０〜７０：３０
では、優れた熱特性のものが得られた。比較例のＮｏ．
２１は、Ｓｉ粒子の混入を行わないもので、炭素繊維の
表面層に珪素を含有していないものであり、これは熱的
なストレスにより熱膨張係数の劣化が見られる。また比
較例のＮｏ．２２は、炭素繊維：Ｓｉの重量比５０：５
０で発明例のものよりＳｉ量が多いものであるが、これ
は十分な熱性能が得られないものである。

【００２４】

【表３】

【００２５】

【実施例４】実施例４は、分散材である炭素繊維表面の
炭化珪素についてのもので、所定量のピッチ系樹脂を２
００℃に加熱し、これに繊維径１０μｍ、繊維長５００
μｍの炭素繊維を所定量投入してスラリーを作製した。
これを金型に入れてプレス成形を行い、乾燥硬化後、３
０００℃にて焼成を行い、寸法２００ｍｍ×１５０ｍｍ
×１０ｍｍの炭素繊稚成形体を得た。炭素繊維成形体の
体積充填率が、炭素繊維３０％、バインダー１５％とな
るように調整した。次にこの炭素繊維成形体にシランガ
スを１９００℃で通し、気相状態で炭素繊維と化学反応
を起こさせ、炭素繊維の表層の一部をＳｉＣ化した。そ
の後の製造条件は、上記実施例１と同様の条件によりア
ルミニウム基複合材料を作製した。この実施例のアルミ
ニウム基複合材料の熱性能を上記実施例１と同様に熱持
性を測定したところ、実施例１〜実施例３のアルミニウ
ム基複合材料と同等の性能を示すものであった。

【００２６】

【実施例５】実施例５は、アルミニウム基複合材料のマ
トリックスであるアルミニウム−マグネシウム合金に含
まれるＭｇの量を変化させたものである。まず、所定量
のピッチ系樹脂を２００℃程度に加熱し、これに繊維径
１０μｍ、繊維長５００μｍの高配向の炭素繊維を所定
量投入してスラリーを作製した。このスラリーにさらに
粒径が４４μｍであるＳｉ粒子を炭素繊維との体積比が
８０：２０となるように混入した。これを金型に入れて
プレス成形を行い、乾燥硬化後、１９００℃にて焼成を
行い、寸法２００ｍｍ×１５０ｍｍ×１０ｍｍの炭素繊
維成形体を得た。炭素繊維成形体の体積充填率が炭素繊
維３０％、バインダー１５％となるように調整した。

【００２７】次に、この炭素繊維成形体を予熱炉にてア
ルゴン雰囲気中で７００℃に加熱した。炭素繊維成形体
と同形状のキャビティを有する２５０℃に予熱した鋳造
金型に、予熱炉から取り出した炭素繊維成形体を設置し
た。そして、溶湯鍛造法による加圧鋳造装置で型締め
後、種々の量のＭｇを含有するアルミニウム合金の７５
０℃の溶湯を、射出速度１０ｃｍ／ｓｅｃで鋳込み、鋳
込み後１０００ａｔｍの圧力で一分間加圧保持後、凝固
させた。上記のようにして作製したアルミニウム基複合
材料の熱特性を、上記実施例１と同様に測定し、表４に
結果を示すものである。

【００２８】表４に示すように、発明例のＮｏ．２３〜
Ｎｏ．２６の炭素繊維分散アルミニウム基複合材料は、
マトリックスのアルミニウム−マグネシウム合金に含ま
れるＭｇの量が、０．１重量％〜１０重量％のものであ
り、熱的なストレスを加えた後の熱膨張係数（１０^−６
／Ｋ）に初期値に比べて劣化が見られず、炭素繊維とマ
トリックスの界面の密着性が向上していることがわか
る。なお、マトリックス中のＭｇの量が増えるに従い熱
性能は多少低下するものの、熱ストレス後の劣化がな
く、すなわち界面の密着性は向上しているものである。
比較例のＮｏ．２７はアルミニウム−マグネシウム合金
に含まれるＭｇの量が、０．０１％と、本発明のＭｇ量
０．１ｗｔ％より少ないものである。これは熱膨張係数
の劣化に改善が見られない。またＭｇ量が１０ｗｔ％を
越えたものは含浸性が低下し、鋳塊に鋳造欠陥の”す”
が見られた。

【００２９】

【表４】

【００３０】

【実施例６】本発明の実施例６を図１〜図３に示す。図
１は本発明の実施例１〜５と同様の製造条件にて作製し
た炭素繊維成形体のＳＥＭ像（×２０００）である。図
２は本発明の実施例のアルミニウム基複合材料のプリフ
ォーム横方向のＳＥＭ像（×４００）であり、図３は本
発明の実施例のアルミニウム基複合材料のプリフォーム
厚み方向のＳＥＭ像（×４００）である。

【００３１】図１のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像は、炭
素繊維（１）とＳｉＣコート部層（３）が示されてお
り、分散材である炭素繊維の表面が炭化珪素になってい
るものである。これは添加したＳｉの粒子が焼成により
溶解、炭素繊維表面を流動し、炭素繊維との化学反応に
よりＳｉＣ化した細かい粒子状のコート層が確認でき
る。ＳＥＭ像よりこのコーティング層の厚さは０．１〜
０．９μｍである。さらに同じ炭素繊維成形体に対しオ
ージェ電子分光分析装置を用いて炭素繊維表面のコーテ
ィング層をイオンスパッタリングにより深さ方向に掘り
進めながら定性分析を行った。その結果、Ｓｉ量は徐々
に低下し、逆にＣ量が増加した。これより通常炭素繊維
に施されたコーティング層と異なり濃度傾斜を有するＳ
ｉＣコーティング層が形成されていることが確認され
た。

【００３２】また、図２、図３は、上記実施例１〜５と
同様の製造条件にて作製したアルミニウム基複合材料の
ＳＥＭ像であり、炭素繊維（１）、炭素バインダー
（２）、ＳｉＣコート部（３）、マトリックスのＡｌ−
Ｍｇ合金（４）が示され、分散材である炭素繊維同士が
炭素を主成分とするバインダーで固着及び連通されいる
ものである。また図２の横方向のＳＥＭ像、及び図３の
厚み方向のＳＥＭ像に示すように、二次元ランダム状態
で配向しており厚み方向に層構造をとっているものであ
る。

【００３３】

【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、分散材である炭素繊維が炭素を主成
分とするバインダーで固着及び連通されているため高い
熱伝導率を示し、また炭素繊維表面の一部がＳｉＣ化し
ており、さらにマトリックスに炭素との濡れ性が良好な
Ａｌ−Ｍｇ合金を用いているので界面の密着性が改善さ
れているもので、そのため熱的なストレスを加えても熱
性能の劣化が生じることがない信頼性の高い複合材料を
提供することができるという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の炭素繊維成形体のＳＥＭ像

【図２】本発明の実施例のアルミニウム基複合材料の
プリフォーム横方向のＳＥＭ像

【図３】本発明の実施例のアルミニウム基複合材料の
プリフォーム厚み方向のＳＥＭ像

【符号の説明】

１．炭素繊維２．炭素バインダー３．ＳｉＣコート部４．マトリックス（Ａｌ−Ｍｇ）合金

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下のマグ
ネシウムを含んだアルミニウム合金をマトリックスと
し、表面層に硅素を重量比５％以上４０％以下で含有す
る炭素繊維を分散材とし、それら分散材を固着、連通さ
せる炭素を主成分とするバインダーを体積充填率で１０
％以上６０％以下加えたことを特徴とする高熱伝導性、
低熱膨張性を有する炭素繊維分散アルミニウム基複合材
料。
【請求項２】分散材である炭素繊維が複合材料の熱膨
張を抑制しようとする方向に二次元ランダム状態で配向
しており、厚み方向に層構造をとっていることを特徴と
する請求項１に記載の高熱伝導性、低熱膨張性を持つ炭
素繊維分散アルミニウム基複合材料。
【請求項３】分散材である炭素繊維の表面が炭化珪素
になっており、さらに炭素繊維内部に向かって珪素が減
少する濃度分布を持つことを特徴とする請求項１または
２に記載の高熱伝導性、低熱膨張性を持つ炭素繊維分散
アルミニウム基複合材料。