JP2010202902A - 金属基複合材料およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明による金属基複合材料の製造方法は、融点が10 ℃〜200 ℃異なる2種類の金属粒子(低融点金属粒子と高融点金属粒子)と分散粒子との混合体を用い、該混合体を低融点金属粒子の状態図における固‐液共存領域の固相線に沿って昇温させて焼結することに特徴を有する。
【選択図】 図1
Description
W/mKと極端に低い。高熱伝導性ジョイントとしては有効だが、材料全体としての放熱特性は銀や銅を下回る。
W/mK)を有するダイヤモンド粒子を金属中に分散した、ダイヤモンド粒子分散型金属基複合材料に注目した。この材料は過去に、ダイヤモンド粒子のプリフォームの隙間に吸引含浸法で溶融Cuを導入して作製された例(ダイヤモンド粒子の体積分率55
%で420 W/mKの熱伝導率)、および、超高圧・超高温プレスを用いて、ダイヤモンド粉とCu粉の混合粉末を4〜5
GPaの加圧下において1423 Kで成形した例(ダイヤモンド体積分率50
%〜80 %で226〜742 W/mKの熱伝導率)が報告されているが、いずれもダイヤモンド粒子を多く含有する割には高熱伝導率が得られておらず、熱伝導率の実測値はMaxwell−Euckenの式による計算値の40%〜60%程度しか満足していない。
%〜60 %程度しか満足していない理由は、従来の吸引含浸成形および超高圧・超高温プレス成形というプロセシング技術に起因するものと思われる。すなわち、ダイヤモンド粒子と銅マトリックスとを密着させようとするあまり、溶融状態(1200
℃>温度>1150 ℃)のCuとダイヤモンド粒子とが長時間(>15分)直接接触するため、成形中にダイヤモンド粒子が劣化し、ダイヤモンド粒子そのものの熱伝導率が低下する。発明者はダイヤモンド粒子の表面に予めマトリックスとなる金属を被覆しておき、該金属被覆ダイヤモンド粒子を焼結することで比較的良好な焼結体が得られることを確認している。しかしながら、大幅な製造コストの増加や製造プロセスの複雑化に加え、厚い金属被覆を均一に施すことは困難である。
℃〜200 ℃の差を有する2種類の金属粒子とダイヤモンド粒子との混合体を、直流パルス電流又は直流パルス電流と直流電流の重畳電流の通電によって焼結し、ダイヤモンド分散型金属基複合材料を製造する方法を考案している。しかしながら、該方法によって製造されるダイヤモンド分散型金属基複合材料の熱伝導率は、Maxwell−Euckenの式による計算値の80%程度が限界であった。
実施例1
0.230 gの純Al粉末粒子、0.026 gのAl−5%Si合金粉末粒子、および、0.221 gのダイヤモンド粉末粒子の混合体を用意し、汎用型グラファイトダイセット中にセットした。この状態で試料部分の寸法と形状は、直径10 mm、高さ4 mmの円盤状である。このように汎用型グラファイトダイセット中にセットされた混合体に対して、放電プラズマ焼結装置(SPSシンテックス(株)製SPS1020)を用いて、室温から530 ℃までの昇温過程での昇温速度1.5 K/s、530〜630℃の恒温保持過程での昇温速度0.05 K/s、恒温保持時間2100秒、真空度2 Paの条件で、放電プラズマ焼結を行なった。測温はK型熱伝対をグラファイトダイ中に挿入し、試料表面から5 mmの位置のダイ温度を測定することにより行なった。加圧力は80 MPaとした。また、パルスの電圧は2.5 Vで、昇温時における直流パルス電流は700 A、恒温保持中の電流は500 Aであった。
0.211 gの純Al粉末粒子、0.023 gのAl−5%Si合金粉末粒子、および、0.252 gのダイヤモンド粉末粒子の混合体を用意し、汎用型グラファイトダイセット中にセットした。この状態で試料部分の寸法と形状は、直径10 mm、高さ4 mmの円盤状である。このように汎用型グラファイトダイセット中にセットされた混合体に対して、放電プラズマ焼結装置(SPSシンテックス(株)製SPS1020)を用いて、室温から530 ℃までの昇温過程での昇温速度1.5 K/s、530〜630℃の恒温保持過程での昇温速度0.05 K/s、恒温保持時間2100秒、真空度2 Paの条件で、放電プラズマ焼結を行なった。測温はK型熱伝対をグラファイトダイ中に挿入し、試料表面から5 mmの位置のダイ温度を測定することにより行なった。加圧力は80 MPaとした。また、パルスの電圧は2.5 Vで、昇温時における直流パルス電流は700 A、恒温保持中の電流は500 Aであった。
0.192 gの純Al粉末粒子、0.021 gのAl−5%Si合金粉末粒子、および、0.282 gのダイヤモンド粉末粒子の混合体を用意し、汎用型グラファイトダイセット中にセットした。この状態で試料部分の寸法と形状は、直径10 mm、高さ4 mmの円盤状である。このように汎用型グラファイトダイセット中にセットされた混合体に対して、放電プラズマ焼結装置(SPSシンテックス(株)製SPS1020)を用いて、室温から530 ℃までの昇温過程での昇温速度1.5 K/s、530〜630℃の恒温保持過程での昇温速度0.05 K/s、恒温保持時間2100秒、真空度2 Paの条件で、放電プラズマ焼結を行なった。測温はK型熱伝対をグラファイトダイ中に挿入し、試料表面から5 mmの位置のダイ温度を測定することにより行なった。加圧力は80 MPaとした。また、パルスの電圧は2.5 Vで、昇温時における直流パルス電流は700 A、恒温保持中の電流は500 Aであった。
0.211 gの純Al粉末粒子、0.023 gのAl−5%Si合金粉末粒子、および、0.233 gの窒化アルミニウム粉末粒子(東洋アルミニウム株式会社製、熱伝導率λ=56W/mK、文献:Liang Qiao,Heping Zhou,Cuiwei Li:Materials Science and Engineering B99 (2003) 102−105)の混合体を用意し、汎用型グラファイトダイセット中にセットした。この状態で試料部分の寸法と形状は、直径10 mm、高さ4 mmの円盤状である。このように汎用型グラファイトダイセット中にセットされた混合体に対して、放電プラズマ焼結装置(SPSシンテックス(株)製SPS1020)を用いて、室温から530 ℃までの昇温過程での昇温速度1.5 K/s、530〜630℃の恒温保持過程での昇温速度0.05 K/s、恒温保持時間2100秒、真空度2 Paの条件で、放電プラズマ焼結を行なった。測温はK型熱伝対をグラファイトダイ中に挿入し、試料表面から5 mmの位置のダイ温度を測定することにより行なった。加圧力は80 MPaとした。また、パルスの電圧は2.5 Vで、昇温時における直流パルス電流は700 A、恒温保持中の電流は500 Aであった。
0.192 gの純Al粉末粒子、0.021 gのAl−5%Si合金粉末粒子、および、0.261 gの窒化アルミニウム粉末粒子(東洋アルミニウム株式会社製、熱伝導率λ=56W/mK、文献:Liang Qiao,Heping Zhou,Cuiwei Li:Materials Science and Engineering B99 (2003) 102−105)の混合体を用意し、汎用型グラファイトダイセット中にセットした。この状態で試料部分の寸法と形状は、直径10 mm、高さ4 mmの円盤状である。このように汎用型グラファイトダイセット中にセットされた混合体に対して、放電プラズマ焼結装置(SPSシンテックス(株)製SPS1020)を用いて、室温から530 ℃までの昇温過程での昇温速度1.5 K/s、530〜630℃の恒温保持過程での昇温速度0.05 K/s、恒温保持時間2100秒、真空度2 Paの条件で、放電プラズマ焼結を行なった。測温はK型熱伝対をグラファイトダイ中に挿入し、試料表面から5 mmの位置のダイ温度を測定することにより行なった。加圧力は80 MPaとした。また、パルスの電圧は2.5 Vで、昇温時における直流パルス電流は700 A、恒温保持中の電流は500 Aであった。
0.211 gの純Al粉末粒子、0.023 gのAl−5%Si合金粉末粒子、および、0.233 gの炭化ケイ素粉末粒子(International Ceramic Engineering社製、純度98.1%、熱伝導率λ=114 W/mK、文献:NIST Sciences & Technical Data Bases)の混合体を用意し、汎用型グラファイトダイセット中にセットした。この状態で試料部分の寸法と形状は、直径10 mm、高さ4 mmの円盤状である。このように汎用型グラファイトダイセット中にセットされた混合体に対して、放電プラズマ焼結装置(SPSシンテックス(株)製SPS1020)を用いて、室温から530 ℃までの昇温過程での昇温速度1.5 K/s、530〜630℃の恒温保持過程での昇温速度0.05 K/s、恒温保持時間2100秒、真空度2 Paの条件で、放電プラズマ焼結を行なった。測温はK型熱伝対をグラファイトダイ中に挿入し、試料表面から5 mmの位置のダイ温度を測定することにより行なった。加圧力は80 MPaとした。また、パルスの電圧は2.5 Vで、昇温時における直流パルス電流は700 A、恒温保持中の電流は500 Aであった。
0.192 gの純Al粉末粒子、0.021 gのAl−5%Si合金粉末粒子、および、0.258 gの炭化ケイ素粉末粒子(International Ceramic Engineering社製、純度98.1%、熱伝導率λ=114 W/mK、文献:NIST Sciences & Technical Data Bases)の混合体を用意し、汎用型グラファイトダイセット中にセットした。この状態で試料部分の寸法と形状は、直径10 mm、高さ4 mmの円盤状である。このように汎用型グラファイトダイセット中にセットされた混合体に対して、放電プラズマ焼結装置(SPSシンテックス(株)製SPS1020)を用いて、室温から530 ℃までの昇温過程での昇温速度1.5 K/s、530〜630℃の恒温保持過程での昇温速度0.05 K/s、恒温保持時間2100秒、真空度2 Paの条件で、放電プラズマ焼結を行なった。測温はK型熱伝対をグラファイトダイ中に挿入し、試料表面から5 mmの位置のダイ温度を測定することにより行なった。加圧力は80 MPaとした。また、パルスの電圧は2.5 Vで、昇温時における直流パルス電流は700 A、恒温保持中の電流は500 Aであった。
2…低融点金属粒子
3…ダイヤモンド粒子
4…熱伝対
5…ダイ
6…下パンチ
7…上パンチ
8…ダイヤモンド粒子分散型金属基複合材料
10…パルス通電加圧装置
11…真空チャンバー
12…通電加圧電極
15…加圧装置
16…電源装置
Claims (8)
- 融点が10 ℃〜200 ℃異なる2種類の金属粒子(低融点金属粒子と高融点金属粒子)と分散粒子との混合体を用い、
前記混合体を前記低融点金属粒子の融点以上であって前記高融点金属粒子の融点未満の温度で焼結する金属基複合材料の製造方法であって、
前記混合体を、前記低融点金属粒子の状態図における固‐液共存領域の固相線に沿って昇温させることを特徴とする金属基複合材料の製造方法。 - 前記2種類の金属粒子が純アルミニウム粒子と純アルミニウムよりも10 ℃〜200 ℃融点の低いアルミニウム合金粒子であり、
前記混合体を、前記アルミニウム合金粒子の状態図における固‐液共存領域の固相線に沿って、1.17 ℃/s以下の昇温速度で昇温させることを特徴とする請求項1に記載の金属基複合材料の製造方法。 - 前記分散粒子がダイヤモンド粒子であることを特徴とする請求項1〜2いずれか1項に記載の金属基複合材料の製造方法。
- 前記混合体に直流パルス電流又は直流パルス電流と直流電流の重畳電流を流して前記混合体を焼結することを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の金属基複合材料の製造方法。
- 前記分散粒子の体積分率が10 Vol.%〜60 Vol. %であることを特徴とする請求項1〜4いずれか1項に記載の金属基複合材料の製造方法。
- 前記分散粒子の直径が1μm〜3000μmであり、
前記高融点金属粒子の直径が1μm〜3000μmであり、
前記低融点金属粒子の直径が500μm以下であることを特徴とする請求項1〜5いずれか1項に記載の金属基複合材料の製造方法。 - 前記混合体に含まれる前記2種類の金属粒子の混合粉末において、前記低融点金属粒子の体積分率が0.1 Vol.%〜50 Vol.%であることを特徴とする請求項1〜6いずれか1項に記載の金属基複合材料の製造方法。
- 分散粒子の体積分率が10 Vol.%〜60 Vol.%であり、
熱伝導率がMaxwell−Euckenの式による計算値の90%以上であることを特徴とする金属基複合材料。
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CN102251139A (zh) * | 2011-07-08 | 2011-11-23 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种高体积分数金刚石/铝导热功能复合材料的制备方法 |
CN103008669A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-04-03 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种金刚石/铝复合材料制备方法 |
WO2017006610A1 (ja) * | 2015-07-06 | 2017-01-12 | 株式会社日立製作所 | 粉体材料、積層造形体及び積層造形体の製造方法 |
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2009
- 2009-03-02 JP JP2009047563A patent/JP2010202902A/ja active Pending
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WO2017006610A1 (ja) * | 2015-07-06 | 2017-01-12 | 株式会社日立製作所 | 粉体材料、積層造形体及び積層造形体の製造方法 |
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