JP2004131758A

JP2004131758A - 高熱伝導率複合材および高熱伝導率複合材の製造方法

Info

Publication number: JP2004131758A
Application number: JP2002295042A
Authority: JP
Inventors: Masami Kikuchi; 菊池　正美
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】従来よりも格段に熱伝導率の高い材料と製造方法を提供し、この高熱伝導複合材を配設した部品の熱放散性を向上させる。
【解決手段】金属材料中に複数のカーボンナノチューブを配向させるとともに、配向方向に直交する所定の二平面で区切られる両端間の一端から他端までこれらのカーボンナノチューブが互いに接触し合って繋がったカーボンナノチューブ連続体を有してなる高熱伝導複合材を提供する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱伝導率複合材及びその製造方法に関し、特に、電気回路保護用の散熱板、熱交換器やヒートポンプ等の熱的機械、あるいは、車両用ブレーキやホイール等の熱放散性の要求か高い部品に用いられる高熱伝導率複合材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱交換、熱伝達の現象を伴う熱的機械又は散熱用の汎用熱伝導材としては、主に鋳鉄、ステンレス鋼、銅及び銅合金、アルミニウム及びアルミニウム合金、ニッケル及びニッケル合金、チタン及びチタン合金、ジルコニウム合金等が使用されていて、特に、高熱伝導率が要求される熱交換器等の熱的機械には、常温から高温までの温度範囲にわたって熱伝導率が最も高い銅やアルミニウム等が使用されている。（例えば、非特許文献１参照）
【０００３】
しかし、昨今の省エネルギーに対する要望の高まりの中、より高い熱伝導率あるいは熱効率を有する熱的機械が求められており、銅やアルミニウム等に比べて、より高い熱伝導率を有する汎用熱伝導材を開発する必要がある。また、車両用ブレーキやホイール等の部品においては、ブレーキの性能を向上させあるいは高速走行下でのタイヤの温度上昇を抑制してタイヤの耐久性を確保するため、これらの部品におけるのさらなる放熱性の改良が望まれている。
【０００４】
【非特許文献１】
落合安太郎著、「熱交換器」、日刊工業新聞社、昭和４１年６月、ｐ．７３−７５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、銅やアルミニウム等に対比しても格段に高い熱伝導率を有する材料およびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明はなされたものであり、その要旨構成ならびに作用を以下に示す。
【０００７】
請求項１に記載の高熱伝導複合材は、金属材料中に複数のカーボンナノチューブを配向させるとともに、配向方向に直交する所定の二平面で区切られる両端間の一端から他端までこれらのカーボンナノチューブが互いに接触し合って繋がったカーボンナノチューブ連続体を有してなるものである。
【０００８】
カーボンナノチューブ単体の熱伝導率はその測定方法がまだ見つかっていないため明らかではないが、熱伝導率が極めて高いことがその結晶構造から理論的に推定されている。本発明の高熱伝導複合材は、金属材料中に配向したカーボンナノチューブが互いに接触し合って繋がったカーボンナノチューブ連続体を有しているので、対象の部品に、連続体の一方の端が高温側に接続され他方の端が低温側に接続されるよう高熱伝導複合材を配設することにより、この部品の熱放散性を向上させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の高熱伝導複合材は、請求項１に記載するところにおいて、金属材料とカーボンナノチューブとの混合割合が、金属材料１００重量部に対してカーボンナノチューブ０．１〜５重量部であるものである。
【００１０】
この高熱伝導複合材に、従来知られている高熱伝導率材料であるアルミニウムより格段に高い熱伝導率、たとえば、約２４０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を付与するためには、金属材料１００重量部に対してカーボンナノチューブ０．１重量部以上含ませる必要がある。しかし、これが５重量部を越えると、カーボンナノチューブが十分分散せず、カーボンナノチューブの固結部分や空気巻き込みによる空洞部分が発生し好ましくない。
【００１１】
請求項３に記載の高熱伝導複合材は、請求項１もしくは２に記載するところにおいて、前記金属材料はＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇからなる群から選ばれた金属又は前記群から選ばれた金属を含む合金の一種類又は二種類以上よりなるものである。
【００１２】
前記金属材料も高熱伝導複合材の熱伝導に少なからず寄与するので、この金属材料の熱伝導率も高いことが好ましい。本発明の高熱伝導複合材は、前記金属材料にＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇのいずれかを含んでいるので、高熱伝導複合材に高い熱伝導率を与えることができる。さらに、これらの金属は、融点が低いのでカーボンナノチューブを分散させる溶融体を低温で形成することができ、また、柔らかく延性が高いので加工性に富んでいて、これらの点でも製造上好ましい。
【００１３】
請求項４に記載の高熱伝導率複合材の製造方法は、請求項１〜３のいずれかに記載の高熱伝導率複合材の製造方法であって、溶融した前記金属材料中にカーボンナノチューブが分散された溶融体を流動させ、溶融体の流動過程でこれを冷却して固化させることによりカーボンナノチューブを配向させるものである。
【００１４】
本発明の高熱伝導率複合材の製造方法は、前記流動過程で溶融体を冷却して固化させるので、カーボンナノチューブを容易に配向させることができるとともにこれを配向させたあとこの配向が崩れるの防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１ないし図４に基づいて説明する。図１は、この実施形態の高熱伝導率複合材よりなる棒状部材１を示す略線斜視図である。図２は、カーボンナノチューブ２同士が接触する部分を示す略線側面図である。
【００１６】
高熱伝導率複合材よりなる棒状部材１には、アルミニウム母材４中にその軸線方向に沿って配向された多数のカーボンナノチューブ２を有し、これらのカーボンナノチューブは互いに繋がって、棒状部材１の端面６Ａ、６Ｂの両方に開口するとともに一方の端面６Ａから他方の端面６Ｂまで連続して延在する多数のカーボンナノチューブ連続体３を形成する。互いに隣接するカーボンナノチューブ２は、例えば図２に示すように、Ｌ１、Ｌ２もしくはＬ３で外周面同士を接触させているので高熱伝導率の物質を直列に接続した熱伝達経路を構成することができる。
【００１７】
ここで、棒状部材１の太さは０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ程度であり、その長さは必要に応じて自由に選択することができる。また、これに用いるカーボンナノチューブのサイズは、長さが１００〜２００００ｎｍ、直径が２０〜３００ｎｍ程度である。母材としては、アルミニウムの他、銅やマグネシウムなどを用いることができる。本実施の形態においては、カーボンナノチューブの混合割合は、アルミニウム１００重量部に対して０．１〜５重量部としていて、その結果得られる熱伝導率は３００〜１２０００Ｗ／ｍＫでありこれは通常のアルミニウムの熱伝導率２４０Ｗ／ｍＫに対して最高で５０倍高いものとすることができる。
【００１８】
図３は、この実施形態の高熱伝導率複合材よりなる曲り棒状の部材１１を示す略線斜視図である。この部材１１は曲線に沿って延在するが、棒状部材１と同様、アルミニウム母材４中にその延在方向に沿って配向された多数のカーボンナノチューブ２を有し、これらのカーボンナノチューブ２は互いに繋がって、曲り棒状の部材１１の端面１６Ａ、１６Ｂの両方に開口するとともに一方の端面１６Ａから他方の端面１６Ｂまで連続して延在する多数のカーボンナノチューブ連続体１３を形成する。
【００１９】
図１に示される高熱伝導率複合材よりなる部材１を製造する方法について、図４を参照して説明する。容器２５の中に、溶融したアルミニウムの中にカーボンナノチューブ２を混合分散させた溶融体２１を準備するが、この状態ではカーボンナノチューブ２は配向していない。次いで、容器２５の出口に設けたバルブ２６を開け、この溶融体２１を所定の流速でこの容器２５から流出させる。
【００２０】
流出した溶融体２１は、図において反時計回りに回転する冷却ドラム２７に設けられた溝２８に注入される。このとき、溶融体２１の流出する流速より冷却ドラム２７の周速を速く設定してあり、溶融体２１は冷却ドラム２７の溝２８によって引き出されるので、その引き出しによってカーボンナノチューブ２をその流れの方向に配向させることができる。そして、この溶融体２１は冷却ドラム２７の溝から排出される前に、冷却ドラム２７の冷却作用によって半固化状態となり、この半固化状態ではカーボンナノチューブ２の配向が元に戻ることはない。固定された固化体２３となる。冷却ドラム２７から排出されたあとさらに冷却され固化された固化体２３は、圧延ロール２９によって断面形状を円形に成形されたのちカッタ３０で所定の長さに切断されて、棒状部材１が形成されることになる。
【００２１】
以上の製造方法において、溶融体２１が流動する過程で、カーボンナノチューブ２はその流動の方向に配列される。ここで、溶融体２１の流出速度より冷却ドラム２７の周速を速くすることによって、カーボンナノチューブ２を配向させることができるとともに部材１を連続的に形成することができる。
【００２２】
また、曲り棒状の部材１１を製造するには、円筒状の鋳型２８の代りに、部材１１に対応する曲率半径を有する曲り円筒状の鋳型中を溶融体２１を注入してこの中を流動する溶融体２１を冷却させることにより形成することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明の高熱伝導複合材は、金属材料中に配向したカーボンナノチューブが互いに接触し合って繋がったカーボンナノチューブ連続体を有しているので、対象の部品に、連続体の一方の端が高温側に接続され他方の端が低温側に接続されるよう高熱伝導複合材を配設することにより、この部品の熱放散性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の高熱伝導率複合材よりなる棒状部材を示す略線斜視図である。
【図２】カーボンナノチューブ同士が接触する部分を示す略線側面図である。
【図３】本発明の実施形態の高熱伝導率複合材よりなる曲り棒状の部材を示す略線斜視図である。
【図４】高熱伝導率複合材よりなる部材を製造する方法を説明するフロー図である。
【符号の説明】
１　棒状部材
２　カーボンナノチューブ
３、１３　カーボンナノチューブ連続体３
４　アルミニウム母材
６Ａ、６Ｂ　棒状部材の端面
１１　曲り棒状部材
１６Ａ、１６Ｂ　曲り棒状の部材の端面
２１　溶融体
２３　固化体
２５　容器
２６　バルブ
２７　冷却ドラム
２８　溝
２９　圧延ロール
３１　カッタ

Claims

金属材料中に複数のカーボンナノチューブを配向させるとともに、配向方向に直交する所定の二平面で区切られる両端間の一端から他端までこれらのカーボンナノチューブが互いに接触し合って繋がったカーボンナノチューブ連続体を有してなる高熱伝導複合材。
金属材料とカーボンナノチューブとの混合割合が、金属材料１００重量部に対してカーボンナノチューブ０．１〜５重量部である請求項１に記載の高熱伝導複合材。
前記金属材料はＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇからなる群から選ばれた金属又は前記群から選ばれた金属を含む合金の一種類又は二種類以上よりなる請求項１もしくは２に記載の高熱伝導複合材。
請求項１〜３のいずれかに記載の高熱伝導率複合材の製造方法であって、溶融した前記金属材料中にカーボンナノチューブが分散された溶融体を流動させ、溶融体の流動過程でこれを冷却して固化させることによりカーボンナノチューブを配向させる高熱伝導率複合材の製造方法。