JP2006144030A

JP2006144030A - 高熱伝導複合材料とその製造方法

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Publication number: JP2006144030A
Application number: JP2004331381A
Authority: JP
Inventors: Yukio Aoike; 由紀夫青池; Masami Kikuchi; 正美菊池
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】カーボンナノチューブや気相成長炭素繊維などのカーボン材とマトリックス金属との剥離のない、熱伝導性に優れた複合材料とその製造方法を提供する。
【解決手段】アルミシート１１と、カーボン材であるＶＧＣＦ１２ａの表面にＣｕあるいはＮｉから成る被着金属１２ｂが被着された炭素・金属複合体１２とを交互に積層した積層体１３を作製し、この積層体１３を真空雰囲気で加熱しながら上記積層体１３を圧延して、上記アルミシート１１を構成する金属Ａｌ中にＶＧＣＦ１２ａが均一に分散され、かつ、上記カーボン材とマトリックス金属である金属Ａｌとが強固に結合された高熱伝導複合材料１０を作製する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高熱伝導複合材料とその製造方法に関するもので、特に、ヒートシンク等の放熱部材に好適に用いられるカーボン材と金属または合金とを複合して成る高熱伝導複合材料とその製造方法に関する。

従来、電気回路などのヒートシンクの材料としては、軽量で熱伝導性に優れたアルミニウム及びアルミニウム合金、銅及び銅合金などが多く用いられているが、近年、上記金属や合金よりも更に熱伝導率が高く、また、腐食性にも優れた高熱伝導複合材料として、熱伝導性の高い金属粉末と結晶性カーボン材とを混合し、ホットプレス等の加圧手段にて加圧微細化して複合化した高熱伝導複合材料が注目されている。
具体的には、Ｆｅ，Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇなどの金属粉末と黒鉛や炭素繊維あるいはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）などの結晶性カーボン材とを振動ボールミルなどで混合・磨砕して機械的合金化を行い、得られた合金粉末を不活性ガス中でホットプレス成形して、カーボンマトリックス中に平均粒径が５μｍ〜１ｎｍの金属粉末が分散された高熱伝導複合材料を得る方法や、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）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上記ＶＧＣＦから成る繊維層を形成し、この繊維層にアルミニウムなどの熱伝導性の高い金属を加熱溶融させて高熱伝導複合材料を得る方法などが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
また、高熱伝導複合材料ではないが、カーボン材と金属粉末との複合材料の作製方法としては、粒径が０．１μｍ程度のアルミニウム合金粉末に直径５〜６０ｎｍ程度で長さが０．５〜５μｍ程度のカーボンナノチューブ粉末を混合して圧縮成形後、ホットプレスを行い、その後圧延して電気音響変換器用振動板を作製する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１０−１６８５０２号公報特開２００１−１０７２０３号公報特開２００４−１５２６１号公報

しかしながら、上記従来の方法によって複合化された複合材料では、カーボンナノチューブや気相成長炭素繊維などのカーボン材の金属に対する濡れ性の悪さが原因となって、カーボン材とアルミニウム合金などのマトリックス金属との境界面において剥離が発生し、このため、十分な熱伝導特性を得ることができないといった問題点があった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、カーボンナノチューブや気相成長炭素繊維などのカーボン材とマトリックス金属との剥離のない、熱伝導性に優れた複合材料とその製造方法を提供することを目的とする。

本願の請求項１に記載の発明は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｍｇもしくはその合金から成るマトリックス金属と、カーボンナノチューブ及び／または気相成長炭素繊維とを複合化して成る高熱伝導複合材料を製造する方法であって、上記カーボンナノチューブ及び／または気相成長炭素繊維の表面にＣｕまたはＮｉを被着して炭素・金属複合体を形成し、この炭素・金属複合体と上記マトリックス金属とを複合化するようにしたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高熱伝導複合材料の製造方法において、シート状に成形された上記マトリックス金属から成る層と、上記炭素・金属複合体から成る層とを交互に積層した積層体を作製し、この積層体を真空雰囲気で加熱しながら圧延などの方法により加圧して複合化することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の高熱伝導複合材料の製造方法において、溶融したマトリックス金属に上記炭素・金属複合体を分散させて複合化することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の高熱伝導複合材料の製造方法において、粉状のマトリックス金属と上記炭素・金属複合体とを、放電プラズマ焼結法を用いて焼結し複合化することを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、金属材料とカーボン材料を複合化して成る高熱伝導複合材料であって、Ａｌ，Ｃｕ，Ｍｇもしくはその合金から成るマトリックス金属と、カーボンナノチューブ及び／または気相成長炭素繊維の表面にＣｕまたはＮｉが被着された炭素・金属複合体とを複合化して成ることを特徴とするものである。

本発明によれば、Ａｌ，Ｃｕ，Ｍｇもしくはその合金から成るマトリックス金属と、カーボンナノチューブ及び／または気相成長炭素繊維とを複合化して成る高熱伝導複合材料を製造する際に、上記カーボンナノチューブ及び／または気相成長炭素繊維の表面にＣｕまたはＮｉを被着して炭素・金属複合体を形成し、この炭素・金属複合体と上記マトリックス金属とを複合化することにより、カーボン材とマトリックス金属と強固に結合させることができるようにしたので、熱伝導性に優れた複合材料を得ることができる。
炭素・金属複合体と上記マトリックス金属とを複合化する好適な方法としては、シート状に成形された上記マトリックス金属から成る層と、上記炭素・金属複合体から成る層とを交互に積層した積層体を作製し、この積層体を真空雰囲気で加熱しながら圧延などの方法により加圧して複合化する方法や、溶融したマトリックス金属に上記炭素・金属複合体を分散させる方法、あるいは、放電プラズマ焼結法を用いて複合化する方法などが挙げられる。

以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
最良の形態１．
図１（ａ）〜（ｃ）は、本最良の形態１に係る高熱伝導複合材料の製造方法の概要を示す模式図で、本例では、まず、熱伝導率の高い金属であるＡｌをシート状に成形してアルミシート１１とし、このアルミシート１１と、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）１２ａの表面にＣｕあるいはＮｉから成る被着金属１２ｂが被着された炭素・金属複合体１２とを交互に積層した積層体１３を作製する。上記積層体１３は、詳細には、図２に示すように、周縁部をマスキングしたアルミシート１１の表面に上記炭素・金属複合体１２を溶解させた液体を塗布した後乾燥させてシート材１４を作製し、このシート材１４を所定枚数積層するなどして作製されるもので、このとき周縁部をマスキングするのは、上記シート材１４の端部を密着させて焼結させるためである。
次いで、上記積層体１３を脱気用のカプセル１５内に挿入し、真空雰囲気で加熱しながら上記積層体１３を圧延装置１６を用いて圧延して焼結する。これにより、図１（ｄ）に示すような、Ａｌ中にカーボン材（ＶＧＣＦ１２ａ）が均一に分散され、かつ、上記カーボン材とマトリックス金属であるＡｌとが強固に結合された高熱伝導複合材料１０を得ることができる。
ここで、肝要なのは、上記ＶＧＣＦ１２ａの表面に予め無電界メッキなどにより、マトリックス金属であるＡｌとの濡れ性に優れたＣｕやＮｉなどの被着金属１２ｂを被着させて炭素・金属複合体１２を形成しておくことである。このような前処理を行うことにより、マトリックス金属に対する濡れ性が悪いカーボン材（ＶＧＣＦ１２ａ）の濡れ性を大幅に改善することができるので、焼結による、ＶＧＣＦ１２ａとアルミシート１１を構成する金属Ａｌとの結合が強固になる。したがって、カーボン材とマトリックス金属との剥離のない、熱伝導性に優れた複合材料を得ることができる。

このように、本最良の形態１によれば、アルミシート１１と気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）１２ａの表面にＣｕあるいはＮｉから成る被着金属１２ｂが被着された炭素・金属複合体１２とを交互に積層した積層体１３を作製し、この積層体１３を真空雰囲気で加熱しながら上記積層体１３を圧延して焼結して、上記アルミシート１１を構成する金属Ａｌ中にカーボン材（ＶＧＣＦ１２ａ）が均一に分散され、かつ、上記カーボン材とマトリックス金属である金属Ａｌとが強固に結合された高熱伝導複合材料１０を作製したので、カーボン材とマトリックス金属との剥離のない、熱伝導性に優れた高熱伝導複合材料１０を得ることができる。

なお、上記最良の形態１では、マトリックス金属としてＡｌを用いたが、これに限るものではなく、ＣｕやＭｇ、あるいは、アルミニウム合金、銅合金、マグネシウム合金のような高熱伝導金属・合金材料を用いてもよい。
また、上記例では、カーボン材とし気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）を用いた場合について説明したが、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）や、このＣＮＴとＶＧＣＦとを混合したものを用いても同様の効果を得ることができる。
また、上記炭素・金属複合体１２とアルミシート１１との積層体１３を焼結する方法としては、上記積層体１３を圧延して焼結する方法だけでなく、上記積層体１３に荷重をかけて焼結するなど、他の焼結方法を用いてもよい。

最良の形態２．
図３（ａ）〜（ｃ）は、本最良の形態２に係る高熱伝導複合材料の製造方法の概要を示す図で、本例では、金属Ａｌから成るチップ２１と気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）２２ａの表面にＣｕあるいはＮｉから成る被着金属２２ｂが被着された炭素・金属複合体２２とを準備し、上記Ａｌチップ２１を坩堝２３にて所定の温度（例えば、８５０℃）で溶融し、この溶融したＡｌ（マトリックス金属）に上記炭素・金属複合体２２を投入した後、上記炭素・金属複合体２２を溶融Ａｌ中に分散させて複合化した後、上記溶湯を冷却用坩堝２４に注湯して高熱伝導複合材料を得る。上記ＶＧＣＦ２２ａはそのままであればＡｌとの濡れ性が悪く、上記溶融したＡｌに混入されないが、表面にＡｌとの濡れ性がよい被着金属２２ｂが被着した炭素・金属複合体２２として溶融Ａｌ中に投入すれば、上記ＶＧＣＦ２２ａをマトリックス金属であるＡｌ中に容易に分散させることができる。したがって、マトリックス金属であるＡｌ中にカーボン材（ＶＧＣＦ１２ａ）が均一に分散されており、かつ、上記カーボン材とマトリックス金属であるＡｌとが強固に結合されているので、優れた熱伝導性を有する高熱伝導複合材料２０を得ることができる。
ここで、上記溶融するマトリックス金属としては、上記最良の形態１と同様に、ＣｕやＭｇ、あるいは、アルミニウム合金、銅合金、マグネシウム合金のような高熱伝導金属・合金材料を用いてもよいし、被着金属２２ｂを被着するカーボン材についても、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）や、このＣＮＴとＶＧＣＦとを混合したものを用いてもよい。

なお、炭素・金属複合体１２とマトリックス金属とを複合化する際には、上記最良の形態１，２の他に、放電プラズマ焼結法などの他の焼結方法を用いてもよい。
放電プラズマ焼結法は、図４に示すように、例えば、アルミニウム粉末と表面にＣｕを被着させたＶＧＣＦとの混合粉末３１を焼結ダイ３２に入れ、真空チャンバー３３中で加圧しながら昇温し、所定の温度に保持した後、上部パンチ電極３４ａと下部パンチ電極３４ｂとの間で上記混合粉末を加圧しながら、プラズマ発生用高圧電源３４を用いて上記両電極３４ａ，３４ｂ間に高電圧を印加して、上記両電極３４ａ，３４ｂ間にプラズマを発生させ、上記混合粉末３１を焼結するもので、これにより、従来のホットプレスによる焼結よりも短時間で焼結できるとともに、組織が微細な特性の安定した高熱伝導複合材料を得ることができる。この場合にも、ＶＧＣＦ表面にＣｕを被着したことにより、カーボン材であるＶＧＣＦとＡｌとが強固に結合されるので、複合焼結材の熱伝導性を確実に向上させることができる。

Ａｌをシート状に成形した厚さが０．２ｍｍのアルミシートに、無電解メッキにて表面にＣｕを被着させた、平均粒径がそれぞれ１０ｎｍ，１００ｎｍのＣＮＴとＶＧＣＦＶとを水に分散させてスラリー化したものを塗布して乾燥させた後、この乾燥させたシートを５枚積層したものを、真空チャンバー中で６２０〜６４０℃にて約１２時間保持した後、圧延率１／３〜１／２にて圧延処理して高熱伝導複合材を作製した。その結果、本発明による表面にＣｕを被着させたカーボン材を用いた高熱伝導複合材料では、熱伝導特性の低下の原因となる、ＣＮＴとＶＧＣＦＶ−アルミニウム間での剥離は見られなかった。

このように、本発明によれば、カーボン材とマトリックス金属とが強固に結合した熱伝導性に優れた複合材料を得ることができるので、電気回路などのヒートシンクの材料として用いられる、金属や合金よりも更に熱伝導度が高く、また、腐食性にも優れた高熱伝導複合材料を提供することができる。

本発明の最良の形態１に係る高熱伝導複合材料の製造方法の概要を示す図である。本最良の形態１に係る金属シートと炭素・金属複合体とを交互に積層した積層体の作製方法の一例を示す図である。本最良の形態２に係る高熱伝導複合材料の製造方法を示す図である。本発明による高熱伝導複合材料の他の製造方法を示す図である。

符号の説明

１０高熱伝導複合材料、１１アルミシート、１２炭素・金属複合体、
１２ａ気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）、１２ｂ被着金属、１３積層体、
１４シート材、１５カプセル、１６圧延装置。

Claims

Ａｌ，Ｃｕ，Ｍｇもしくはその合金から成るマトリックス金属と、カーボンナノチューブ及び／または気相成長炭素繊維とを複合化して成る高熱伝導複合材料を製造する際に、上記カーボンナノチューブ及び／または気相成長炭素繊維の表面にＣｕまたはＮｉを被着して炭素・金属複合体を形成し、この炭素・金属複合体と上記マトリックス金属とを複合化するようにしたことを特徴とする高熱伝導複合材料の製造方法。
シート状に成形された上記マトリックス金属から成る層と、上記炭素・金属複合体から成る層とを交互に積層した積層体を作製し、この積層体を真空雰囲気で加熱しながら加圧して複合化することを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導複合材料の製造方法。
溶融したマトリックス金属に上記炭素・金属複合体を分散させて複合化することを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導複合材料の製造方法。
粉状のマトリックス金属と上記炭素・金属複合体とを、放電プラズマ焼結法を用いて焼結し複合化することを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導複合材料の製造方法。
Ａｌ，Ｃｕ，Ｍｇもしくはその合金から成るマトリックス金属と、カーボンナノチューブ及び／または気相成長炭素繊維の表面にＣｕまたはＮｉが被着された炭素・金属複合体とを複合化して成ることを特徴とする高熱伝導複合材料。