JP2009043672A

JP2009043672A - カーボンナノチューブを混合した導電性炭素複合材料および金属はんだ材、導電材、半導電材

Info

Publication number: JP2009043672A
Application number: JP2007210119A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Matsubara; 賢政松原
Original assignee: TAISEI KAKEN KK; Taisei Kaken KK
Current assignee: TAISEI KAKEN KK; Taisei Kaken KK
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】
本発明は上記の問題点に鑑み、カーボンナノチューブ自体が有するすぐれた電気伝導と熱伝導特性、剛性を積極的に用いることで、金属やセラミックスそのものが持つ特性を向上させるものである。これにより製品の小型化、高性能化、長寿命化をはかり、資源の少ない日本の産業界を恒久的な繁栄させることを目的とする。この発明は、例えば絶縁性であるが、耐腐食性、耐熱性を有するセラミックスに電気伝導性と熱伝導性を付与した複合材料の提供を目的とし、セラミックスや金属粉体基材の有する特性とともにカーボンナノチューブ自体、その本来的な長鎖状や網状の構造が有するすぐれた電気伝導と熱伝導特性並びに強度特性をできるだけ活用したカーボンナノチューブ分散複合材料とその製造方法の提供を目的としている。
【解決手段】
本発明の導電性炭素複合材料の製造方法では、まず、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーに金属およびその合金のペースト化混合して流動化された混合物を得る。前記ペーストは、液状であってもよく、加熱等の手段により流動化する粉体、ペレット等であってもよい。

Description

発明の属する技術分野

本発明は、金属およびセラミックスをカーボンナノチューブと混合した導電性炭素複合材料およびそれを用いた製品に関する。本発明の技術分野は広くはナノテク応用技術であり、
特にコイル材、熱伝対、補償導線、端子、フィラメント、ＬＥＤ発光材、電極、ブスバーリード線、ペルチェ材、ヒーター材、ＩＣ、ＩＣチップ、抵抗、コンデンサー、モーター捲線コイル材、センサー材、センサーコイル材など電子装置や刃物、工具、自動車、船舶、宇宙船、医療、バイオ、流通産業、環境、ロボット、スポーツ用品などの素材として広く適用できるものである。

現在、地球環境の保護のため、様々な産業分野で省資源省エネルギー化が叫ばれている。電気・電子部品やモレキュラーシーブの素材として、金属、セラミックス、ガラス及びそれらの複合材が使用されているが、これら従来品よりもより望ましい物理・化学特性を持ち、かつ長寿命な新素材の開発が望まれている。はんだ業界においては、世界的にＲｏＨＳ指令等の影響を受け、従来使用されている錫−鉛合金はんだに代わり鉛を使用しないＰｂフリーはんだ材（代表的なものに錫９６．５％、銀３％、銅０．５％のＥＣＯはんだ等）が主流になりつつある。Ｐｂフリーはんだは従来の鉛入り共晶はんだ（組成例、錫６３％、鉛３７％）に比べて高価で、また溶融点が高く（Ｐｂフリー２１０〜２２０℃、共晶１８３．３℃）なっており、実装はんだ付け時の部品の熱影響も問題となってきている。

近年、Ｃ６０フラーレン、カーボンナノファイバー、グラファイトナノファイバー等のナノメートルオーダーの大きさを有するナノ構造炭素が注目されている。前記ナノ構造炭素は、その特殊な構造のために、特殊な機能的性質、構造的性質を備えている。例えば、カーボンナノファイバーは数千ＧＰａのヤング率を持つものと予測されており、各種材料との複合材料とすることにより高強度化することが期待されている。

例えば、優れた強度と成形性並びに導電性を兼ね備えた成形体を目的として、平均直径
が１〜４５ｎｍ、平均アスペクト比が５以上であるカーボンナノチューブを、炭素繊維、金属被覆炭素繊維、カーボン粉末、ガラス繊維などの充填材を混練したエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの樹脂中に分散させたカーボン含有樹脂組成物を加工、成形して得ることが提案（特開２００ −１２９３９）されている。また、アルミニウ厶合金材の熱伝導率、引っ張り強度を改善する目的で、アルミニウム合金材の含有成分である、Ｓｉ，Ｍｇ，Ｍｎの少なくとも一種を、カーボンナノ繊維と化合させ、カーボンナノ纎維をアルミニウ厶母材に含有させたアルミニウム合金材が提案されている。これは、カーボンナノ繊維を０．１〜５ｖｏｌ％溶融アルミニウム合金材内に混入し、混練した後ビレットとし、該ビレットを押出成形して得られたアルミニウム合金材の押出型材として提供（特開２００２−３６３７１６）されている。

さらに、燃料電池のセパレータ等に適用できる成形性に優れた高導電性材料を目的とし
て、ＰＰＳやＬＣＰ等の流動性に優れた熱可塑性樹脂に金属化合物（ホウ化物：ＴｉＢ２、ＷＢ、ＭｏＢ、ＣｒＢ、ＡｌＢ２、ＭｇＢ、炭化物：ＷＣ、窒化物：ＴｉＮ等）および
カーボンナノチューブを適量配合することにより、成形性と導電性を両立させた樹脂成形
体が提案（特開２００３−３４７５１）されている。

カーボンナノチューブを含むフィールドエミッタとして、インジウム、ビスマスまたは
鉛のようなナノチューブ濡れ性元素の金属合金、Ａｇ，ＡｕまたはＳｎの場合のように比較的柔らかくかつ延性がある金属粉体等の導電性材料粉体とカーボンナノチューブをプレ
ス成形して切断や研摩後、表面に突き出しナノチューブを形成し、該表面をエッチングし
てナノチューブ先端を形成、その後金属表面を再溶解し、突き出しナノチューブを整列さ
せる工程で製造する方法が提案（特開２０００−２２３００４）されている。

多様な機能を多面的に実現し、機能を最適にするためのセラミックス複合ナノ構造体を
目的に、ある機能を目的に選定する複数の多価金属元素の酸化物にて構成されるように、
例えば異種の金属元素が酸素を介して結合する製造方法を選定して、さらに公知の種々方
法にて、短軸断面の最大径が５００ｎｍ以下の柱状体を製造することが提案（特開２００
３−２３８１２０）されている。

しかしながら、上述の樹脂中やアルミニウム合金中に分散させようとするカーボンナノチューブは、得られる複合材料の製造性や所要の成形性を得ることを考慮して、分散性の高いものを利用しており、カーボンナノチューブ自体が有するすぐれた電気伝導と熱伝導特性、剛性を有効に活用しようとするものでない。

本発明が解決しようとする課題

本発明は上記の問題点に鑑み、カーボンナノチューブ自体が有するすぐれた電気伝導と熱伝導特性、剛性を積極的に用いることで、金属やセラミックスそのものが持つ特性を向上させるものである。これにより製品の小型化、高性能化、長寿命化をはかり、資源の少ない日本の産業界を恒久的な繁栄させることを目的とする。この発明は、例えば絶縁性であるが、耐腐食性、耐熱性を有するセラミックスに電気伝導性と熱伝導性を付与した複合材料の提供を目的とし、セラミックスや金属粉体基材の有する特性とともにカーボンナノチューブ自体、その本来的な長鎖状や網状の構造が有するすぐれた電気伝導と熱伝導特性並びに強度特性をできるだけ活用したカーボンナノチューブ分散複合材料とその製造方法の提供を目的としている。

本発明の導電性炭素複合材料の製造方法では、まず、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーに金属およびその合金のペースト化混合して流動化された混合物を得る。前記ペーストは、液状であってもよく、加熱等の手段により流動化する粉体、ペレット等であってもよい。

本発明に開示される炭素複合材料の好ましい一つの態様では、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーと混合される前記金属および合金は、金、白金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、鉄、鉛、パラジューム、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、ニクロム、クロム、ビスマス、アンチモン、チタン、ステンレス、ベリリウム、酸化ベリリウム、真鍮、カンタル、インコネルから選ばれる１種類以上の金属および合金である。

前記カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーと前記金属との混合物を得る方法として、たとえば鍛錬が挙げられる。

さらに本発明の製造方法では、前記導電性炭素複合材料はパウダーとしフラックスと混合させることで流動化できる。

これによって、カーボンナノチューブに金属の持つ濡れ性を付加できるから、高い導電性を持った、はんだごてチップなどの素材とでき、はんだ材に利用する場合、パウダー、ペースト、線はんだ、ヤニ入り線はんだ、棒はんだ、ワッシャースプリングなどに応用可能である。

流動化させた前記導電性炭素複合材料は、窒素製造装置の吸着剤としても利用される。

また、本発明の製造方法では、前記導電性炭素複合材料を、セラミックスと混合または焼結することで半導体素材または抗酸化セラミックスを得ることができる。

前記導電性炭素複合材材料と前記セラミックスとの焼結には、たとえばN₂雰囲気下でのホットプレス焼結を用いることができる。

本発明に開示される半導体素材の好ましい一つの態様では、前記セラミックスにはアルミナ、ジルコニアなどの酸化物、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素などの窒化物、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステンなどの炭化物、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニア、ホウ化クロムなどのホウ化物等の公知の各種機械的機能や塑性変形時の粒界滑りを向上させる機能を有するセラミックスを採用することができる。例えば耐腐食性、耐熱性等の必要とする機能を発揮する公知の機能性セラミックスを採用するとよい。

本発明の炭素複合材料は耐腐食性、耐熱性に優れるセラミックス、耐食性や放熱性にすぐれた金属粉体の焼結体を基体とすることで、前記材料自体が本来的に腐食性や高温環境下でのすぐれた耐久性を有しており、これにカーボンナノチューブを均一に分散させたことにより、カーボンナノチューブ自体が有するすぐれた電気伝導と熱伝導特性並びに強度とを併せて、所要特性の増強、相乗効果、あるいは新たな機能を発揮させることができる。

特に本発明の炭素複合材料は、機械強度とともに、弾性、耐熱性、熱伝導性及び導電性の面で非常に優れた特性を持つ構造材を実現した。そのため、スプリング材、ビス、ナット、ワッシャー、ボルト、歯車、工具、冶具、刃物、研磨剤、潤滑剤、接着剤、軸受け衣類、住宅、シャフト、柱、屋根、瓦、桶等建築材、ＦＡ機器、テレビ、冷蔵庫等家電機器用の素材として利用し、極めて高性能なものにできる。

さらに本発明の炭素複合材料は、はんだチップの材料としても好適である。既存のはんだチップは耐久性に乏しく頻繁に交換する必要があるが、前記炭素複合材料は優れた耐熱性と導電性を有しているため、溶食が少なく、交換の頻度を大幅に改善できる。

また、本発明の製造方法では、伝導性ペースト材にカーボンナノチューブを混合することで、伝導性ペースト材を得ることができる。

前記導電性ペースト材は、たとえば熱硬化性樹脂と導電性フィラーとを含有している。

本発明の導電性ペースト材は、接着強度、導電性に優れるだけでなく、接着強度及び導電性のバランスに優れている。従って、本発明の導電性ペースト材を用いた半導体装置は、高温多湿の雰囲気でも接着強度、導電性が低下せず優れた電気的特性を維持できる。

さらに、前記導電性ペースト材をセラミックスと混合または焼結することで、耐熱性導電性ペースト材を得ることができる。

また、衣服、紙、木材などの繊維にカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーを吸着させることで、炭素複合繊維材料および抗酸化シート材を得ることができる。

前記炭素腹蔵繊維材料および抗酸化シート材を、衣服や毛髪用かつらの材料として用いることができる。

カーボナノチューブおよびカーボンナノファイバーは放熱性にも優れていることから、漆と混合することで、熱特性に優れた塗料および接着剤を作ることができる。特に前記塗料および接着剤は、文化財の補修に好適である。

カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーは優れた抗酸化作用を有しているので、メッキ材およびメッキ液と混合することで、メッキ後の製品の耐久性を向上できる。

発明の実施の形態

以下、例として添付図面を参照し、実施の形態について説明する。

図１ははんだごてのチップ材として本発明を利用した際の模式図である。カーボンナノチューブに金属を混合することにより、錫合金はんだなどが温度で溶融してチップ先端の金属と拡散反応が起こり、重力の方向に反して滑り落ちにくい、いわゆる濡れ性がよい状態となる。また、カーボンナノチューブの特性により、金属のみのチップにくらべて熱伝導率、導電率が高く、熱による磨耗も少なくなる。

図２は窒素発生装置に使用する酸素吸着剤として本発明を利用した際の模式図である。筒の中に詰めたカーボンナノチューブ材、又は複合体のモレキュラーシーブが酸素を吸着し、窒素ガスが取り出される。従来のモレキュラーシーブよりも吸着性が高いため、小型化することが出来る。

図３、４ははんだ材として本発明を利用した際の模式図である。図中の黒点部分がカーボンナノチューブを表しており、従来のはんだ材よりも導電性、熱伝導率に優れるため少量で済み、作業効率も向上する。

はんだごてのチップ材として本発明を利用した際の模式図である。窒素発生装置に使用する酸素吸着剤として本発明を利用した際の模式図である。クリームはんだ材として本発明を利用した際の模式図である。ヤニ入り線はんだとして本発明を利用した際の模式図である。

Claims

金属およびその合金をペースト化し、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーに混合して炭素化したことを特徴とする導電性炭素複合材料。
前記金属および合金は、金、白金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、鉄、鉛、パラジューム、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、ニクロム、クロム、ビスマス、アンチモン、チタン、ステンレス、ベリリウム、酸化ベリリウム、真鍮、カンタル、インコネルから選ばれる１種類以上の金属および合金であることを特徴とする請求項１記載の導電性炭素複合材料。
請求項２記載の導電性炭素複合材料パウダーとしフラックスと混合して流動化させたことを特徴とする導電性炭素複合材料。
請求項３に記載の導電性炭素複合材料を用いた窒素発生装置用の吸着剤。
請求項３記載の導電性炭素複合材料を用いたクリームはんだ材。
請求項３記載の導電性炭素複合材料を焼結又は溶融して棒材、板材、線材と成型したことを特徴とする成型品およびコイル電線材。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の導電性炭素複合材料を、セラミックスと混合または焼結したことを特徴とする半導体素材および抗酸化セラミックス。
前記セラミックスが、アルミナ、ジルコニアなどの酸化物、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ケイ素などの窒化物、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステンなどの炭化物、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニア、ホウ化クロムなどのホウ化物であることを特徴とする請求項７記載の半導体素材および抗酸化セラミックス。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の導電性炭素複合材料、または請求項７に記載の半導体素材および抗酸化セラミックスを用いた電線材およびプレス成型材、射出成型材。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の導電性炭素複合材料、または請求項７に記載の半導体素材および抗酸化セラミックスを用いたはんだチップ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の導電性炭素複合材料、または請求項７に記載の半導体素材を用いたコイル材、熱伝対、補償導線、端子、フィラメント、ＬＥＤ発光材、電極、ブスバーリード線、ペルチェ材、ヒーター材、ＩＣ、ＩＣチップ、抵抗、コンデンサー、モーター捲線コイル材、センサー材、センサーコイル材。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の導電性炭素複合材料、または請求項７に記載の半導体素材を用いた太陽光発電用光電気変換素子、蓄電池及び蓄電池用キャパシター材、電気自動車用モーター材、自動車、船舶、宇宙船、医療、バイオ、流通産業、環境、ロボット、スポーツ用品の素材。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の導電性炭素複合材料、または請求項７に記載の半導体素材を用いたスプリング材、ビス、ナット、ワッシャー、ボルト、歯車、工具、冶具、刃物、研磨剤、潤滑剤、接着剤、軸受け衣類、住宅、シャフト、柱、屋根、瓦、桶等建築材、ＦＡ機器、テレビ、冷蔵庫等家電機器用の素材。
導電性ペースト材において、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーを含有することを特徴とする導電性ペースト材。
導電性ペースト材において、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーを含有することを特徴とする超導電性ペースト材。
請求項１４に記載の導電性ペースト材、または請求項１５に記載の超導電性ペースト材に、金属パウダーを混合または焼結したことを特徴とする超導電性ペースト材。
請求項１４に記載の導電性ペースト材、または請求項１５に記載の超導電性ペースト材に、セラミックスを混合したことを特徴とする耐熱導電性ペースト材。
繊維において、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーを吸着させたことを特徴とする炭素複合繊維材料および抗酸化シート材。
請求項１７に記載の炭素複合繊維材料および抗酸化シート材を用いた衣料および毛髪用かつら。
漆とカーボンナノファイバーおよびカーボンナノチューブを混合させたことを特徴とする塗料および接着剤。
メッキ材およびメッキ液において、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーを混合したことを特徴とするメッキ材およびメッキ液。