JP2001107203A - 複合材料及びその製造方法 - Google Patents

複合材料及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱伝導性に優れ、その方向性が少なく、か
つ、軽量の複合材料を提供する。 【解決手段】 気相成長炭素繊維と金属とからなる複合
材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属をマトリック
スとし、フィラーとして気相成長炭素繊維を有する複合
材料技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】アルミニウム、あるいは、アルミニウム
合金は熱伝導性に優れているので、ヒートシンクなどに
用いられ、ＣＰＵなどの局所的な冷却・放熱に用いられ
ている。
【０００３】しかしながら、現在、放熱ファンを用いる
ことのできないノート型機器、ハンドヘルド機器など小
型化し、極度に軽量化した機器が次々と開発される一
方、クロック数（動作周波数）の増加などに伴い、これ
ら機器での発熱量が増大している。これら矛盾する要求
を満足するため、軽量でありながら熱伝導性に優れた材
料が求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来の問題点を改善する、すなわち、軽量かつ熱伝導性に
優れた複合材料を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の複合材料は上記
課題を解決するため、請求項１に記載の通り、羽毛状繊
維体である気相成長炭素繊維と金属とからなる複合材料
である。
【０００６】また、本発明の複合材料の製造方法は、請
求項２に記載の通り、気相成長炭素繊維を溶媒に分散し
た後容器に移し、その後上記溶媒を除去して気相成長炭
素繊維からなる繊維層を形成し、次いで圧力容器内に繊
維層、フィルタ、金属を載置し、次いで圧力容器内を真
空状態とするとともに金属を加熱溶融させ、該繊維層に
溶融金属を加圧含浸させる複合材料の製造方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の複合材料は極めて熱伝導
性の良好な気相成長炭素繊維（以下「ＶＧＣＦ」とも云
う）を用いるため、複合材料とした場合、優れた熱伝導
性が得られる。
【０００８】本発明の複合材料で用いる気相成長炭素繊
維にはウィスカーと云われる針状結晶のものが知られて
いるが、これらは形状が一次元的であり、放熱などの三
次元的用途に用いる複合材料の成形に当たってはその配
向方向を制御する必要があるものの、その制御は非常に
困難である。
【０００９】なお、同様に一次元形状の炭素繊維として
知られる、ポリアクリロニトリル系炭素繊維やピッチ系
炭素繊維などの長繊維の炭素繊維をチョップ化、或いは
ミルド化（通常の方法でミルド化しても完全には粉状に
ならず、繊維としての形状は保たれる）したものも同様
の形状的欠点を有する上、気相成長炭素繊維に比べて熱
伝導性が数段低い（気相成長炭素繊維の熱伝導率が１５
００ｗ／ｍＫ程度であるのに対し、これらＰＡＮ系及び
ピッチ系炭素繊維では１〜６００ｗ／ｍＫ程度）ため、
アルミニウム（熱伝導性は２００〜２７０ｗ／ｍＫ）と
の複合材料を形成しても、熱伝導性の向上は小さい。
【００１０】また、従来の長繊維の炭素繊維からなる織
物を内部に有する複合材料（図５参照）では繊維の方向
が二次元的であり、そのため熱伝導性も方向性があって
１次元あるいは二次元的には良好であるが、三次元的な
評価では満足できる熱伝導性が得られない。さらに、い
わゆる３Ｄ織物（立体織物）などの使用も可能ではある
ものの、充分な効果が得られる充填密度とすることが困
難な上、このような織物は極めて高価であり実用的でな
い。
【００１１】このため、本発明の複合材料で用いる気相
成長炭素繊維としては羽毛状繊維体である気相成長炭素
繊維であることが必要である。ここで羽毛状繊維体であ
る気相成長炭素繊維は比重が２．０前後（アルミニウム
の比重は２．７）であって、枝分かれ（分岐）を有し、
場所によって曲がりを有し、場合によってはくびれがあ
り、また、自ら或いは互いに絡まりあって、全体として
０．０３ｍｍ〜１ｍｍの不定な形状の繊維塊となってい
るものである。羽毛状繊維体である気相成長炭素繊維は
枝分かれがあるため、その三次元的ネットワークを通じ
て熱が伝導されるため、このものをフィラーとした場合
に極めて三次元的に熱伝導性が良好な複合材料が得られ
る。なお、図１及び図２にこのような曲がりを有し、場
合によってはくびれがあり、また、自ら或いは互いに絡
まり合う羽毛状繊維体である気相成長炭素繊維の走査型
電子顕微鏡写真を、図３には透過型電子顕微鏡写真を示
した。
【００１２】このような羽毛状繊維体である気相成長炭
素繊維は、ベンゼンなどの炭化水素を炭素供給元とし、
水素存在下で鉄を核として気相成長させる。このとき、
温度、雰囲気圧力、原料の炭化水素供給量等条件を変化
させることにより、枝分かれ（分岐）を有し、場所によ
って曲がりを有し、場合によってはくびれがあり、ま
た、自ら或いは互いに絡まる羽毛状繊維体である気相成
長炭素繊維を得ることができる。このとき、複数の羽毛
状繊維体は互いに絡まり合って、繊維塊を形成してい
る。なお、従来、気相成長炭素繊維を作製するに当たっ
ては、機械的強度を得るなど通常の用途に使うことを想
定し、枝分かれ、曲がりなどを有しないものが得られる
よう、これら条件を設定していた。
【００１３】本発明の複合材料でマトリックスとして用
いる金属としては、本発明の趣旨から、熱伝導性が高
く、かつ、比重の低いものであることが好ましい。すな
わち、アルミニウム、各種アルミニウム合金、マグネシ
ウム、或いは、マグネシウム合金等が挙げられる。
【００１４】本発明の複合材料は、例えば次のようにし
て得ることができる。羽毛状繊維体である気相成長炭素
繊維は繊細で脆く、応力が働くと容易に崩れ、三次元的
なネットワークが失われやすい。そのため、水、あるい
はアルコール類、ケトン類などの有機溶媒（混合溶媒を
用いても良い）（これらを併せて「溶媒」と云う）に分
散させ、必要に応じて界面活性剤など分散性を向上させ
る薬品を添加し、スラリー状として、底部が液透過性を
有する多孔質材（濾紙、あるいは多孔質セラミック等）
からなる容器に注ぎ（図４（ａ）参照）、その後溶媒を
除去して、図４（ｂ）のように羽毛状繊維体である気相
成長炭素繊維からなる繊維層を形成する。
【００１５】この繊維層を図４（ｃ）に示すようなヒー
タが設けられた加減圧可能な容器（圧力容器）に移す。
この圧力容器の底部（図中「基材」）は後述するように
外れるようになっている。
【００１６】このような繊維層の上に耐熱性を有する多
孔質材料（ここでは多孔質セラミック）からなるフィル
タ、このフィルタの上に金属（固形）を積層する。この
ように圧力容器内に繊維層、フィルタ及び金属を載置し
たのち、圧力容器内を真空状態とするとともに容器に付
属するヒータにより上記金属を加熱溶融させ、容器内を
マトリックスとなる溶融金属及び炭素に対して不活性な
ガス、アルゴンガス等を用いて加圧し（この例ではアル
ゴンガスを圧入）、繊維層に溶融金属をマトリックス成
分として加圧含浸させ、その後容器のヒータによる加熱
を中止し、系を冷やして金属を固化させ、放冷後、容器
底部の基材を外し、得られた羽毛状繊維体である気相成
長炭素繊維と金属とからなる複合材料を取り出す。この
ように不活性ガス圧力下で溶融金属の含浸を行うことに
より、酸化されやすい溶融金属を用いながらも良好な複
合材料が得られる。
【００１７】なお、上記フィルタは圧力容器内で上下動
可能となっていて、その下の空間を最適に保つため、得
られる複合材料は不必要にマトリックス成分が多くなる
ことなく、また、羽毛状繊維体である気相成長炭素繊維
の破壊もほとんど生じないため、この羽毛状繊維体であ
る気相成長炭素繊維フィラーによる熱伝導性向上効果、
及び、軽量化効果が充分に発揮できるものとなる。
【００１８】また、上記において基材及び多孔質セラミ
ックスの形状を変えることにより、様座な形状、例えば
ヒートシンクとして適した形状とすることができ、形状
を整える後加工を不要としたり、或いは、そのような後
加工を容易なものとすることができる。
【００１９】なお、上記複合材料の製造方法によれば、
従来、製造が困難であったマトリックスの比重がフィラ
ーの比重より大きいＦＲＭ（繊維強化金属）を容易に得
ることができ、また、そのとき、フィラーの分散に優
れ、各種性能（伝熱特性、伝導率、強度、弾性等）のば
らつき、方向性の少ない優れた複合材料となる。なお、
上記本発明に係る複合材料の製造方法は、羽毛状繊維体
である気相成長炭素繊維の他、通常の気相成長炭素繊維
をフィラーとする複合材料の製造にも同様に応用でき
る。
【００２０】
【発明の効果】本発明の複合材料は、軽量で方向性のな
い良好な熱伝導性を有し、また羽毛状繊維体である炭素
繊維をフィラーとして有するため機械的強度にも優れた
複合材料である。
【００２１】また、本発明の複合材料の製造方法は、マ
トリックス成分よりも比重が小さく、かつ、脆い繊細な
フィラーを用いても、フィラーの分散に優れ、各種性能
のばらつき、方向性の少ない優れた複合材料（繊維強化
金属）を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】羽毛状繊維体である気相成長炭素繊維の走査型
電子顕微鏡写真である。
【図２】羽毛状繊維体である気相成長炭素繊維の他の走
査型電子顕微鏡写真である。
【図３】望ましい羽毛状繊維体である気相成長炭素繊維
の透過型電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明の複合材料を作製する方法の一例を示す
図である。 （ａ）羽毛状繊維体である気相成長炭素繊維を溶媒に分
散したスラリーを容器に注ぐ状態を示す図（モデル図）
である。 （ｂ）（ａ）の容器内で羽毛状繊維体である気相成長炭
素繊維からなる繊維層が形成されたことを示す図（モデ
ル図）である。 （ｃ）上記繊維層に溶融金属を含浸させる状態を示すモ
デル断面図である。 （ｄ）本発明に係る複合材料（羽毛状繊維体である気相
成長炭素繊維と金属とからなる複合材料）を示す図（モ
デル図）である。
【図５】長繊維炭素繊維からなる織物をフィラーとして
有する複合材料を示す図（モデル図）である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 羽毛状繊維体である気相成長炭素繊維と
    金属とからなることを特徴とする複合材料。
  2. 【請求項２】 気相成長炭素繊維を溶媒に分散した後容
    器に移し、その後上記溶媒を除去して気相成長炭素繊維
    からなる繊維層を形成し、次いで圧力容器内に繊維層、
    フィルタ、金属を載置し、次いで圧力容器内を真空状態
    とするとともに金属を加熱溶融させ、該繊維層に溶融金
    属を加圧含浸させることを特徴とする複合材料の製造方
    法。
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