JP2009203441A - コンポジット材料、その製造方法、及び複合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導率や電気伝導率を大きく変化させることができ、様々な受熱面、放熱面等に適用できるコンポジット材料、その製造方法、及び複合構造体を提供すること。
【解決手段】本発明のコンポジット材料５は、材料Ａから成る領域１０１と、前記材料Ａよりも熱伝導率及び電気伝導率のうちの少なくとも一方の値が低く、且つ前記材料Ａよりも熱膨張率が低い材料Ｂからなる領域１０３とが混在し、所定の温度領域以上のときは、前記所定の温度領域未満の場合と比べて、前記材料Ａから成る領域１０１同士の接触する頻度が増加し、前記コンポジット材料５の前記値が高くなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、受熱面と放熱面との間の熱伝導の用途等に用いることができるコンポジット材料、その製造方法、及び複合構造体に関する。

部材の熱伝導率や電気伝導率を用途や環境によって大きく可変したいと言うニーズが存在するが、通常、部材の熱伝導率や電気伝導率は、その物性値としてある一定の値を有するのみである。これに対し、例えば、特許文献１〜４の技術は、部材の外観を変えずに熱伝導率を可変にする機構を提案している。
特開平５−２３９００号公報 特開平１１−２３６６３６号公報 特開平９−３２９２９０号公報 特開２０００−２７４９７６号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、部材全体が変形するため、受熱面や放熱面への固定方法における制約がある。また、特許文献２の技術では、用いる材料の点から、大幅な熱伝導率の変化を望めない。また、特許文献３の技術は、熱伝導率の異なる２種類の気体を用いるものであり、熱伝導率は、最大でも、それらの気体の熱伝導率の範囲でしか可変できない。また、特許文献４の技術は、構成要素である流体の熱伝導率を大きく変化させることができない問題がある。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、熱伝導率や電気伝導率を大きく変化させることができ、様々な受熱面、放熱面等に適用できるコンポジット材料、その製造方法、及び複合構造体を提供することを目的とする。

請求項１の発明に係るコンポジット材料５には、例えば、図１に示すように、材料Ａから成る領域１０１と、材料Ａよりも熱伝導率及び電気伝導率のうちの少なくとも一方の値が低く、且つ材料Ａよりも熱膨張率が低い材料Ｂからなる領域１０３とが混在する。高温のときは、材料Ｂよりも熱膨張率が高い材料Ａが相対的に大きく膨張し、図１（ａ）に示すように、材料Ａから成る領域１０１同士が接触する頻度が増加する。その結果、材料Ａから成る領域１０１同士が連続的に接触し、コンポジット材料における一方の面１０５から他方の面１０７まで形成された経路（以下、高伝導パスとする）１０９が生じ易くなる。ここで、材料Ａの熱伝導率及び電気伝導率のうちの少なくとも一方の値は材料Ｂよりも高いので、高伝導パス１０９が生じると、コンポジット材料の熱伝導率、電気伝導率、又はその両方が高くなる。

一方、低温のときは、材料Ｂよりも熱膨張率が高い材料Ａが相対的に大きく収縮し、図１（ｂ）に示すように、材料Ａから成る領域１０１同士が接触する頻度が減少する。その結果、高伝導パス１０９は遮断され、コンポジット材料５の熱伝導率、電気伝導率、又はその両方が低くなる。

このように、本発明のコンポジット材料は、温度によって、熱伝導率、電気伝導率、又はその両方が大きく変化する。また、本発明のコンポジット材料は、その形状や大きさを設定するだけで、例えば、様々な大きさ、形状の受熱面、放熱面等に適用できる。

請求項２の発明に係るコンポジット材料５には、例えば、図２に示すように、材料Ａから成る領域２０１と、材料Ａよりも熱伝導率及び電気伝導率のうちの少なくとも一方の値が低く、且つ材料Ａよりも熱膨張率が高い材料Ｂからなる領域２０３とが混在する。低温のときは、材料Ａよりも熱膨張率が高い材料Ｂが相対的に大きく収縮し、図２（ａ）に示すように、材料Ａから成る領域２０１同士が接触する頻度が増加する。その結果、材料Ａから成る領域２０１同士が連続的に接触し、コンポジット材料５における一方の面２０５から他方の面２０７まで形成された高伝導パス２０９が生じ易くなる。ここで、材料Ａの熱伝導率及び電気伝導率のうちの少なくとも一方の値は材料Ｂよりも高いので、高伝導パス２０９が生じると、コンポジット材料５の熱伝導率、電気伝導率、又はその両方が高くなる。

一方、高温のときは、材料Ａよりも熱膨張率が高い材料Ｂが相対的に大きく膨張し、図２（ｂ）に示すように、材料Ａから成る領域２０１同士が接触する頻度が減少する。その結果、高伝導パス２０９は遮断され、コンポジット材料５の熱伝導率、電気伝導率、又はその両方が低くなる。

このように、本発明のコンポジット材料は、温度によって、熱伝導率、電気伝導率又はその両方が大きく変化する。また、本発明のコンポジット材料は、その形状や大きさを設定するだけで、例えば、様々な大きさ、形状の受熱面、放熱面等に適用できる。

前記材料Ａとしては、例えば、請求項３に係る発明のように、金属材料（例えば、銀、銅、インバー等）が挙げられ、前記材料Ｂとしては、例えば、請求項３に係る発明のように、無機酸化物（例えばシリカ等）、高分子材料（例えばエポキシ樹脂等）、又はそれらの複合材料が挙げられる。材料Ｂは、材料Ａよりも、熱伝導率が低いものとすることができる。また、材料Ｂは、材料Ａよりも電気伝導率が低いものとすることができる。また、材料Ｂは、材料Ａよりも熱伝導率が低く、且つ材料Ａよりも電気伝導率が低いものとすることができる。

前記材料Ａは、例えば、粒子状とすることができる。この場合、材料Ａから成る領域は、例えば、１個、又は複数の粒子から成る領域とすることができる。また、前記材料Ｂは、例えば、粒子状としてもよいし、図１又は図２に示すように、全体が一体となったものでもよい。

請求項１〜３の発明に係るコンポジット材料は、例えば、請求項４記載のように、前記材料Ａと前記材料Ｂとを混合し、前記材料Ａから成る領域が連続的に接触した状態において固化する方法で製造できる。

このとき、請求項５記載のように、(i)前記材料Ａと前記材料Ｂとの混合物を加圧することで、前記材料Ａから成る領域が連続的に接触した状態を生じさせることができる。また、請求項６記載のように、(ii)前記材料Ｂよりも比重が大きい前記材料Ａを用い、前記材料Ａと前記材料Ｂとの混合物を静置し、前記材料Ａを沈殿させることで、前記材料Ａから成る領域が連続的に接触した状態を生じさせることができる。前記(ii)の方法においては、請求項７記載のように、前記コンポジット材料の表面に前記材料Ａが露出するように加工することが好ましい。こうすることにより、前記材料Ａから成る領域が連続的に接触した状態を確実に生じさせることができる。

本発明のコンポジット材料を製造するとき、請求項８記載のように、前記固化における前記コンポジット材料の温度を、前記材料Ｂの熱膨張率が前記材料Ａの熱膨張率よりも小さい場合は、前記所定の温度領域よりも高く設定し、前記材料Ｂの熱膨張率が前記材料Ａの熱膨張率よりも大きい場合は、前記所定の温度領域よりも低く設定することが好ましい。こうすることにより、所定の温度領域を境にして、コンポジット材料の熱伝導率や電気伝導率を大きく変化させることができる。

請求項１〜３の発明に係るコンポジット材料を用いて、例えば、図３に示すように、受熱面１と、放熱面３と、受熱面１及び放熱面３の間に配置された請求項１〜３のいずれかに記載のコンポジット材料５とからなる複合構造体７を構成することができる。

この複合構造体は、温度に応じて、受熱面１と放熱面３との間の熱伝導率、電気伝導率、又はその両方を大きく変化させることができる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

銀粉末（平均粒径２０μｍφ）と、シロキサンを含むシリカバインダーと、シリカ球（平均粒径１００μｍφ）とを、５：５：１の割合（重量比）で混合した。ここで、銀、シリカバインダー、シリカの熱伝導率及び線膨張率（熱膨張率）は、表１に示すとおりである。

表１に示すように、シリカバインダーの熱伝導率と線膨張率は、銀よりも小さい。銀粉末は材料Ａに該当し、シリカバインダーは材料Ｂに該当する。また、シリカ球は、コンポジット材の厚みを制御する作用を奏する。

銅箔の上に、上記の混合物をキャストし、他の銅箔で挟み、銅箔同士が電気的に接触するまでプレスし（４０ｇ／ｃｍ²）、その後、プレスしたまま、６００℃で焼成した。その結果、図３に示すように、銅箔１と銅箔３との間に熱伝導率可変シート（コンポジット材料）５が形成された。

銅箔１、３と熱伝導率可変シート５とから成る構造体（以下、複合構造体７とする）を、銅箔１が下側となるように、ホットプレート上に置いた。その状態で加熱し、銅箔１の温度を室温から４５０℃まで徐々に上昇させた。

銅箔１の温度が上昇している期間における銅箔３の温度変化を図４に示す（実線）。また、比較例として、単なる１枚の銅板をホットプレート上で同様に加熱したときの温度変化を示す（点線）。銅箔３の温度上昇は、銅箔１の温度が２００℃付近（所定の温度領域）になるまでは緩やかであった。これは、温度が低いため、銀粉末が十分に熱膨張せず、銀粉末の多くが相互に非接触であり、結果として、銅箔１から銅箔３への熱伝導率が低いためである。

その後、銅箔１の温度が２００℃を超えると、銅箔３の温度上昇は急峻になった。これは、高温になったため、銀粉末が熱膨張して、銀粉末同士が連続的に接触するようになり、銅箔１から銅箔３まで至る銀粉末の高熱伝導パスが生じ、結果として、銅箔１から銅箔３への熱伝導率が高くなったためである。それに対し、比較例の銅板では、温度上昇の程度に変化は見られなかった。また、熱伝導率可変シート５は、電気伝導率についても、熱伝導率と同様の挙動を示した。

上記のように、熱伝導率可変シート５は、受熱面（銅箔１）の温度が低いときは熱伝導率を低くし、受熱面の温度が高いときは熱伝導率を高くすることができる。例えば、車両のエンジンを受熱面とし、排気パイプや水冷ラジエータを放熱面とすれば、エンジンの温度が低い暖気運転中は、エンジンから熱が逃げることを防止し、エンジンの温度が上昇したときは、速やかにエンジンの熱を排気パイプや水冷ラジエータに放出することができる。

インバー（鉄ニッケル合金）粉末（平均粒径２０μｍφ）と、エポキシ樹脂と、シリカ球（平均粒径１０００μｍφ）とを、５：５：１の割合（重量比）で混合した。ここで、インバー、エポキシ樹脂、シリカの熱伝導率及び線膨張率（熱膨張率）は、上記表１に示すとおりである。

上記表１に示すように、エポキシ樹脂の熱伝導率はインバーより小さく、エポキシ樹脂の熱膨張率はインバーより大きい。インバー粉末は材料Ａに該当し、エポキシ樹脂は材料Ｂに該当する。また、シリカ球は、コンポジット材の厚みを制御する作用を奏する。

銅箔の上に、上記の混合物をキャストし、他の銅箔で挟み、室温にて、銅箔同士が電気的に接触するまでプレス（４０ｇ／ｃｍ²）した。その結果、図３に示すように、銅箔１と銅箔３との間に熱伝導率可変シート（コンポジット材料）５が形成された。

前記実施例１と同様に、銅箔１、３と熱伝導率可変シート５とから成る複合構造体７を、銅箔１が下側となるように、ホットプレート上に置き、銅箔１の温度を室温から４５０℃まで徐々に上昇させた。このとき、銅箔１の温度が１００℃付近（所定の温度領域）までは、熱伝導率可変シート５の熱伝導率は高かった。これは、低温においては、エポキシ樹脂が膨張していないため、インバー粉末同士の連続的な接触が維持され、銅箔１から銅箔３まで至るインバー粉末の高熱伝導パスが生じ、結果として、銅箔１から銅箔３への熱伝導率が高くなったためである。銅箔１の温度が１００℃付近よりも高くなると、熱伝導率可変シート５の熱伝導率が大きく低下した。これは、熱膨張率が高いエポキシ樹脂が熱膨張し、インバー粉末の高熱伝導パスが寸断され、インバー粉末の多くが、相互に非接触となったためである。また、熱伝導率可変シート５は、電気伝導率についても、熱伝導率と同様の挙動を示した。

上記のように、本実施例２の熱伝導率可変シート５は、低温で熱伝導率が高く、高温で熱伝導率が低くなる。この特性を利用して、熱伝導率可変シート５は、例えば、保温ポット等に適用することができる。すなわち、２重構造を有する保温ポットの内壁を受熱面とし、その外側にある外壁を放熱面とし、それらの間に熱伝導率可変シート５を配置すれば、内壁に高温の液体が収容されているときは、熱伝導率を低くし、その液体が冷めにくくなる。

銀粉末（平均粒径２０μｍφ）と、シロキサンを含むシリカバインダーとを、５：５の割合（重量比）で混合した。この混合物を平底の耐熱容器に入れ、１日放置した。このとき、銀粉末の比重はシリカバインダーの比重より大きいため、銀粉末は下方に沈殿し、その下方では銀粉末が連続的に接触した状態となる。その後、６００℃にて焼成してコンポジット材を製造した。容器からコンポジット材を取り出し、厚み１ｍｍで切り出した。切り出し時に両面に銅が露出していることを確認し、そうでない場合はその表面を研磨し、銅を露出させ、熱伝導率可変シートとした。この熱伝導率可変シートは、前記実施例１で製造した熱伝導率可変シートと略同様の特性を示した。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記実施例１〜３では、２種類の材料を用いたが、３種類以上の材料を用いたり、粒径の異なる同じ材料を加えたりしても、目的の特性を得ることが可能である。

コンポジット材料の作用を表す説明図であり、（ａ）は高温時のコンポジット材料を表し、（ｂ）は低温時のコンポジット材料を表す。 コンポジット材料の作用を表す説明図であり、（ａ）は低温時のコンポジット材料を表し、（ｂ）は高温時のコンポジット材料を表す。 複合構造体７の構成を表す側断面図である。 銅箔１の温度と、銅箔３の温度との関係を表すグラフである。

符号の説明

１、３・・・銅箔、５・・・熱伝導率可変シート（コンポジット材料）、
７・・・複合構造体、１０１、１０３、２０１、２０３・・・領域、１０９、２０９・・・高伝導パス

Claims (9)

1. 材料Ａから成る領域と、前記材料Ａよりも熱伝導率及び電気伝導率のうちの少なくとも一方の値が低く、且つ前記材料Ａよりも熱膨張率が低い材料Ｂからなる領域とが混在するコンポジット材料であって、
   所定の温度領域以上のときは、前記所定の温度領域未満の場合と比べて、前記材料Ａから成る領域同士の接触する頻度が増加し、前記コンポジット材料の前記値が高くなることを特徴とするコンポジット材料。
2. 材料Ａから成る領域と、前記材料Ａよりも熱伝導率及び電気伝導率のうちの少なくとも一方の値が低く、且つ前記材料Ａよりも熱膨張率が高い材料Ｂからなる領域とが混在するコンポジット材料であって、
   所定の温度領域以上のときは、前記所定の温度領域未満の場合と比べて、前記材料Ａから成る領域同士の接触する頻度が減少し、前記コンポジット材料の前記値が低くなることを特徴とするコンポジット材料。
3. 前記材料Ａが金属材料であるとともに、前記材料Ｂが無機酸化物、高分子材料、又はそれらの複合材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンポジット材料。
4. 前記材料Ａと前記材料Ｂとを混合し、前記材料Ａから成る領域が連続的に接触した状態において固化することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコンポジット材料の製造方法。
5. 前記材料Ａと前記材料Ｂとの混合物を加圧することで、前記材料Ａから成る領域が連続的に接触した状態を生じさせることを特徴とする請求項４記載のコンポジット材料の製造方法。
6. 前記材料Ｂよりも比重が大きい前記材料Ａを用い、前記材料Ａと前記材料Ｂとの混合物を静置し、前記材料Ａを沈殿させることで、前記材料Ａから成る領域が連続的に接触した状態を生じさせることを特徴とする請求項４記載のコンポジット材料の製造方法。
7. 前記コンポジット材料の表面に前記材料Ａが露出するように加工することを特徴とする請求項６記載のコンポジット材料の製造方法。
8. 前記固化における前記コンポジット材料の温度を、
   前記材料Ｂの熱膨張率が前記材料Ａの熱膨張率よりも小さい場合は、前記所定の温度領域よりも高く設定し、
   前記材料Ｂの熱膨張率が前記材料Ａの熱膨張率よりも大きい場合は、前記所定の温度領域よりも低く設定することを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のコンポジット材料の製造方法。
9. 受熱面と、
   放熱面と、
   前記受熱面及び前記放熱面の間に配置された請求項１〜３のいずれかに記載のコンポジット材料と、
   からなる複合構造体。