JP2001181063A - 高熱伝導性炭素繊維複合材料 - Google Patents
高熱伝導性炭素繊維複合材料Info
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Abstract
熱膨張係数が3.0×10-6/℃以上〜8.0×10-6
/℃以下の範囲にあり、冷却−加熱の変温サイクルを繰
り返しても、材料間の剥離現象を起こさず、また、熱伝
導度が少なくとも200W/mKである複合材料の提
供。 【解決手段】 長炭素繊維を各繊維の長手方向が相互に
平行となるように、成形槽中に引き揃えながら積層し、
このものを約600℃以下の温度に加温しながら、所定
の圧力を加えてバインダーを繊維と繊維間の間隙に含浸
させ、成形し、次いで得られた成形体を不活性雰囲気下
で、約2000〜3000℃の温度で焼成し、炭素繊維
の長手方向と焼成体の底部を形成する面とが形成する角
度が40°〜50°となるように、焼成体を切り出し加
工するかまたは、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手
方向と焼成体の底部とが形成する角度が40°〜50°
となるよう引き揃えることにより製造しうる。
Description
い複合材料であって、ヒートシンクや、ヒートパイプと
して好適に使用できる実質的に金属を含まない炭素繊維
複合材料に関する。
スの発生、大気汚染物質であるNOx等の根本的な削減
が地球規模で問題となっている。化石燃料の有効利用を
図ることを目的に、化石燃料の燃焼時に発生する熱をエ
ネルギー源として有効に使用しようとする試みが各種な
されてきている。このような熱のエネルギー源としての
有効利用には、ヒートシンクやヒートパイプ等の材料と
して、熱伝導度に優れた材料の出現が求められてきてい
る。そのような材料としては、アルミ、銅、銅タングス
テン合金、銅モリブデン合金等の合金や、炭化珪素系材
料等が提案されている。しかし、これらの材料では、金
属を原料とするためにヒートシンク材の熱膨張係数が小
さく、使用状況においては、使用が制限されることがあ
る。また炭素繊維を一方向に配列した高熱伝導炭素繊維
複合材料が提案されているが、熱膨張係数が1.0×1
0-6/℃と小さく、同様の問題を起こすことがあった。
的低く、熱伝導率が少なくとも300W/mKである熱
伝導度の高い材料として、炭素繊維と銅、アルミニウ
ム、銀、および金からなる群から選ばれた少なくとも一
種類の金属とからなり、熱伝導度が少なくとも300W
/mKである熱伝導体を先に提案して、平成11年2月
25日に特願平11−49050号として出願している
が、熱膨張係数を制御することが難しく、このものの場
合には、冷却−加熱の変温サイクルを繰り返している内
に、使用分野によっては、問題を生じるケースがあるこ
とが判明している。
のみを主原料として、切断面方向または底部の平行な面
方向の熱膨張係数が3.0×10-6/℃以上〜8.0×
10-6/℃以下の範囲にあり、冷却−加熱の変温サイク
ルを繰り返しても、材料間の剥離現象を起こさず、ま
た、熱伝導度が少なくとも200W/mKである複合材
料を提供することを目的とするものである。
様な現状に鑑みて種々検討した結果、炭素繊維の長手方
向と焼成体の底部を形成する面とが形成する角度が40
°〜50°となるように焼成体を切り出し、加工するか
または、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼
成体の底部とが形成する角度が40°〜50°となるよ
う引き揃えることにより得られる実質的に炭素繊維と炭
素粉末からなる炭素繊維複合材料が上記目的を達成でき
ることを見出いだして、本発明を完成させたものであ
る。即ち、炭素繊維と炭素粉末からなる炭素繊維複合材
料であって、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成
する面とが形成する角度が40°〜50°であり、熱伝
導率が少なくとも200W/mKであり、切断面方向ま
たは底部の平行な面方向の熱膨張係数が3.0×10-6
/℃以上〜8.0×10 -6/℃以下の範囲にあることを
特徴とする高熱伝導性炭素繊維複合材料が提供される。
方向が相互に平行となるように、成形槽中に引き揃えな
がら積層し、このものを約600℃以下の温度に加温し
ながら、所定の圧力を加えてバインダーを繊維と繊維間
の間隙に含浸させ、成形し、次いで得られた成形体を不
活性雰囲気下で、約2000〜3000℃の温度で焼成
し、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面と
が形成する角度が40°〜50°となるように、焼成体
を切り出し加工するかまたは、繊維の引き揃え時に、炭
素繊維の長手方向と焼成体の底部とが形成する角度が4
0°〜50°となるよう引き揃えることよりなる、上記
高熱伝導性炭素繊維複合材料の製造方法が提供される。
維複合材料は、繊維の長手方向を各炭素繊維が相互に平
行となるように一定方向に引き揃え、積層し、これにバ
インダー、所望により加えてもよい炭素粉末を添加し、
加温下で、加圧成形された炭素繊維複合材料を焼成し、
得られた焼成体である炭素繊維複合材料を、炭素繊維の
長手方向と焼成体の底部を形成する面とが形成する角度
が40°〜50°となるように切り出し、加工するかま
たは、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼成
体の底部とが形成する角度が40°〜50°となるよう
引き揃えることにより得られる実質的に炭素繊維と炭素
粉末からなる炭素繊維複合材料からなる。
料を製造するに際しては例えば図1に模式的に示した所
定の形状をし、加圧手段を有する成形槽内に、図1に示
したように長繊維炭素繊維を各繊維が相互に平行となる
ように一定方向に引き揃え積層し、積層した後、バイン
ダーを添加し、温度をかけながらこれを加圧手段、例え
ば、図1に示したようなボルトなどの加圧手段により、
あるいはホットプレス装置により、圧縮成形し、成形体
を得、この成形体を不活性雰囲気下で、約2000〜3
000℃の温度で焼成し、炭素繊維の長手方向と焼成体
の底部を形成する面とが形成する角度が40°〜50°
となるように、焼成体を切り出し加工するかまたは、繊
維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部
とが形成する角度が40°〜50°となるよう引き揃え
ることにより製造すればよい。
以上の長さがあれば、その種類は問わないが、通常はピ
ッチ系の長繊維炭素繊維が好適である。なお、炭素繊維
の表面に、遊離炭素が存在していると、引き揃え時に遊
離炭素が、離脱するなどして、均一に引き揃えができな
いこともあるので、この段階では、炭素繊維の表面に
は、なるべく遊離炭素が付着していないことが好まし
い。繊維の太さや長さは、最終製品の要求規格を考慮し
て選択すればよいが、通常は、太さが直径0.01mm
〜0.005mm程度であり、長さは、1m〜1.5m
程度のものが好適である。なお、引き揃え時には、炭素
繊維の引き揃え方向に、炭素繊維が引きちぎれない程度
に引っ張り強度をかけながら、引き揃え、その状態で、
バインダー浴に漬け、余剰のバインダーを取り除いた
後、バインダーの硬化温度、例えば、200℃以上に加
熱し、バインダーを硬化させて、成形品を得た後、引っ
張り強度を解除してもよい。
揃えた後、所望とする強さの圧力をかけた状態で、液状
のバインダーを含むバインダー浴に成形槽ごと浸漬し、
繊維と繊維との間の間隙に充分バインダーが浸透するよ
うにする。浸透を充分に行うためには、場合によって
は、バインダー浴に加圧して、浸透を促進してもよい。
バインダーとしては、石油系のバインダーが好適に使用
される。場合によっては、適当な有機溶媒にバインダー
を溶解させ、粘度を低くして、浸透を促進しやすくして
もよい。バインダーの浸漬量は、繊維と繊維間の空隙量
によっても異なるが、通常は、空隙量は、30容量%〜
50容量%であるので、その少なくとも85%以上、好
ましくは、90%以上がバインダーで占められるように
することが好ましい。
バインダーを硬化させて得られる、繊維の方向がすべて
同一方向に引き揃えられた成形品は、繊維の方向が一方
向であることから、通常は、UD材と称される。勿論、
成形品を焼成し、焼成体としたものも、繊維の引き揃え
方向は、一方向であることには変わりはないので、これ
もUD材と称されることもある。焼成は、バインダーが
完全に炭化するに十分な条件で行えばよい。即ち、窒素
ガス、アルゴンガス等の不活性雰囲気下で、約2000
〜3000℃の温度で焼成する。かくして得られた焼成
体を炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する角度
が40°〜50°となるように、切り出し加工するかま
たは、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼成
体の底部とが形成する角度が40°〜50°となるよう
引き揃えることにより、目的とする、炭素繊維と炭素粉
末からなる炭素繊維複合材料であって、熱伝導率が少な
くとも200W/mKであり、切断面方向または底部の
平行な面方向の熱膨張係数が3.0×10-6/℃以上〜
8.0×10-6/℃以下の範囲にあることを特徴とする
高熱伝導性炭素繊維複合材料が製造することができる。
本骨格が構成されているので、熱膨張係数の変動が少な
く、その切断面方向または底部の平行な面方向の熱膨張
係数は、銅タングステン合金、銅モリブデン合金等とほ
ぼ同じ、4×10 -6/℃以上〜8×10-6/℃以下の範
囲とすることができる。切断面方向または底部の平行な
面方向の熱膨張係数を上記の範囲内に制御するには、炭
素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面とが形成
する角度が40°〜50°の範囲内にすればよい。炭素
繊維引き揃えのときに、成形用容器の底部が水平面に対
して、40°〜50°の角度を持って形成されたものを
使用してもよい。但し、この場合には両端部を焼成体の
底部に対して垂直になるように切り出し加工する。底部
が水平面に対して平行な容器を使用した場合には、成
形、焼成した後の焼成体を炭素繊維の長手方向に対して
40°〜50°の角度を形成する様に、切り出し加工し
て製造する。なお、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部
を形成する面とが形成する角度を40°〜50°の範囲
内に加工できる方法であれば、上記の方法に何ら限定さ
れるものではない。例えば、バインダー浴に浸漬したも
のを、風乾後、バインダーの硬化温度又はそれ以上で焼
成して、バインダー硬化させて得られたものを上記のよ
うに切断し加工して、最後に焼成してもよい。炭素繊維
の長手方向と焼成体の底部を形成する面との関係を模式
的に示したのが図2である。この場合には、(11)で
表される切り出し面は、炭素繊維の長手方向(10)に
対して、ほぼ、45°となるように切り出したものであ
る。
素繊維から製造されており、かつ繊維の長手方向と底部
と平行な面とが40°〜50°の角度となるように構成
されているために、切断面方向または底部の平行な面方
向の熱膨張係数が4×10-6/℃以上〜8×10-6/℃
以下の範囲に制御されており、かつ、その昇温による変
動も少なく、熱伝導率も200W/mK以上と高いの
で、ヒートシンクやヒートパイプ用の材料として好適で
ある。従って、著しい温度遍歴に曝される使用環境下に
おいて好適に使用される。
明するが、本発明は、これらの例により何ら限定される
ものではないことは勿論である。
状をし、加圧手段を有する成形槽内(2)に、直径約7
μmの長繊維炭素(4)を12000本束にしたものを
成形槽の長手方向に平行に積層し、積層した炭素繊維を
槽の蓋(1)の四隅に取り付けられているボルト(3)
を締め、蓋(1)の突出部を容器本体内に押し込み、炭
素繊維を圧縮成形した。このものを溶融された石油ピッ
チからなるバインダーを収納しているバインダー浴内に
成形槽ごと浸漬し、外部から加圧して、成形槽本体に設
けられたバインダー含浸用孔(5)から溶融したバイン
ダーを炭素繊維と炭素繊維との間隙に含浸させ、成形槽
をバインダー浴から引き上げ、ついで、そのままの状態
で、バインダーの硬化温度を超える温度で加熱しバイン
ダーを硬化させ、いわゆるUD材を成形した。成形した
UD材を、成形槽から離型し、このものを不活性雰囲気
下で、約2000〜2500℃の温度で焼成し、炭素繊
維の長手方向と焼成体の底部を形成する角度が約40°
となるように、焼成体を切り出し加工し、本発明に係る
炭素繊維複合材料を製造した。
熱膨張係数を、それぞれ、アルゴン雰囲気下で、レーザ
ーフラッシュ法により測定した。このものの熱伝導度と
熱膨張係数は、それぞれ200W/mK、5×10-6/
℃、であった。
ていわゆるUD材を形成した。このものを実施例1と同
様に不活性雰囲気下で、焼成し、UD材からなる炭素繊
維複合材料を製造した。
熱膨張係数を、実施例と同様に、アルゴン雰囲気下で、
レーザーフラッシュ法により測定した。このものの熱伝
導度と熱膨張係数は、それぞれ300W/mK、1×1
0-6/℃であった。得られた炭素繊維複合材料は熱伝導
度は大きいものの、熱膨張係数が低すぎ、ヒートシンク
等として使用するには、問題があることが判明した。
材料は、基本骨格が炭素繊維で構成されているために、
金属、金属合金等と比較して、著しく、熱膨張係数が低
いことに加え、同様の方法で製造された2D材からなる
炭素繊維複合材料と比較しても、熱伝導度が少なくとも
200W/mKと高く、ヒートシンク、ヒートパイプ等
の製造用材料として使用可能である。加えて、異種材料
同士からなる複合材料に比較して、熱遍歴による熱膨張
率の差に起因する剥がれ等が起こらないという優れた性
質を有する。また、本発明に係る炭素繊維複合材料の製
造方法によれば、上記のごとき優れた性質を有する高熱
伝導性炭素繊維複合材料が提供されることとなる。
めに使用する装置であり、繊維の引き揃え状態を示すた
めに、装置の一部を省略した模式図である。
る面との関係を示す模式図である。
…バインダーの含浸用の孔、10…炭素繊維の長手方
向、11…切り出し面。
Claims (4)
- 【請求項1】 炭素繊維と炭素粉末からなる複合材料で
あって、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する
面とが形成する角度が40°〜50°の範囲内にあり、
熱伝導率が少なくとも200W/mKであり、切断面方
向または底部と平行な面方向の熱膨張係数が3.0×1
0-6/℃以上〜8.0×10-6/℃以下の範囲にあるこ
とを特徴とする高熱伝導性炭素繊維複合材料。 - 【請求項2】 所望により炭素粉末で表面が被覆されて
いてもよい長炭素繊維を各繊維の長手方向が相互に平行
となるように、成形槽中に引き揃えながら積層し、この
ものを約600℃以下の温度に加温しながら、所定の圧
力を加えてバインダーを繊維と繊維間の間隙に含浸さ
せ、成形し、次いで得られた成形品を不活性雰囲気下
で、約2000〜3000℃の温度で焼成し、炭素繊維
の長手方向と焼成体の底部をとが形成する角度が40°
〜50°となるように、焼成体を切り出し加工するかま
たは、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼成
体の底部とが形成する角度が40°〜50°となるよう
引き揃えることにより製造することを特徴とする、炭素
繊維と炭素粉末からなる炭素繊維複合材料であって、熱
伝導率が少なくとも200W/mKであり、切断面方向
または底部の平行な面方向の熱膨張係数が3.0×10
-6/℃以上〜8.0×10-6/℃以下の範囲にある高熱
伝導性炭素繊維複合材料の製造方法。 - 【請求項3】 請求項1に記載の高熱伝導性炭素繊維複
合材料からなることを特徴とするヒートシンク。 - 【請求項4】 請求項1に記載の高熱伝導性炭素繊維複
合材料からなることを特徴とするヒートパイプ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP36133299A JP4437580B2 (ja) | 1999-12-20 | 1999-12-20 | 高熱伝導性炭素繊維複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP36133299A JP4437580B2 (ja) | 1999-12-20 | 1999-12-20 | 高熱伝導性炭素繊維複合材料 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001181063A true JP2001181063A (ja) | 2001-07-03 |
JP4437580B2 JP4437580B2 (ja) | 2010-03-24 |
Family
ID=18473151
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP36133299A Expired - Lifetime JP4437580B2 (ja) | 1999-12-20 | 1999-12-20 | 高熱伝導性炭素繊維複合材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4437580B2 (ja) |
-
1999
- 1999-12-20 JP JP36133299A patent/JP4437580B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
---|---|
JP4437580B2 (ja) | 2010-03-24 |
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