JP2017035787A - 複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属シートと炭素シートが積層された複合材料において、機械的強度を確保する。【解決手段】炭素シート２０の両面に金属シート１０が積層された複合材料において、前記金属シート１０間で複数の前記炭素シート２０が周期的に配置されており、隣接する前記炭素シート２０の間には、所定の隙間２１が設けられており、前記炭素シート２０の両側に積層された前記金属シート１０は、前記隙間２１を介して互いに接合されている。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素シートと金属シートを積層した複合材料およびその製造方法に関する。

金属材料の熱伝導率を高める方法として、高熱伝導率の炭素シートと、金属シートとを積層する方法が種々提案されている（例えば特許文献１〜６参照）。炭素シートと金属シートはそれら自体が自然に接着することはなく、多くの場合は接着剤を用いて炭素シートと金属シートを接着している。

ところが、炭素シートは剥離性があるため、いくら金属シートと炭素シートを接着しても炭素シート自体で剥離が起き、曲げなどの機械的強度を確保することができない。そこで、特許文献２〜４のように金属シートと炭素シートとの接着にアンカー効果を併用したり、特許文献６のように炭素シートを挟んだ金属シート同士を炭素シートに形成された貫通孔を介して接合することで強度を確保する方法が提案されている。

特開平１０−２４７７０８号公報 特開平１１−２４０７０６号公報 特開平１１−２８６０７０号公報 特開２００２−３２９９８７号公報 特開２００６−１２３２号公報 特開２０１１−３５６４５号公報

しかしながら、特許文献２〜４、６に記載された方法は、複雑な形状を用意したり、煩雑な工程を経なければ、目的の構造が得られないのが現状である。

本発明は上記点に鑑み、金属シートと炭素シートが積層された複合材料において、機械的強度を確保することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、炭素シート（２０）の両面に金属シート（１０）が積層された複合材料において、前記金属シート（１０）間で複数の前記炭素シート（２０）が周期的に配置されており、隣接する前記炭素シート（２０）の間には、所定の隙間（２１）が設けられており、前記炭素シート（２０）の両側に積層された前記金属シート（１０）は、前記隙間（２１）を介して互いに接合されていることを特徴としている。

これにより、炭素シート（２０）の周囲が金属シート（１０）で覆われることとなるため、接着剤などを用いることなく、金属シート（１０）と炭素シート（２０）とが剥がれることを防止でき、曲げなどの機械的強度を確保することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

複合材料の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 複合材料を形成する前の炭素シートの平面図である。 第１実施形態のホットプレスによる複合材料の製造工程を示す図である。 図４の製造工程で製造した複合材料のＸ線ＣＴ画像である。 第２実施形態のロール圧延による複合材料の製造工程を示す図である。 図６の製造工程で製造した複合材料の超音波探傷画像である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態の複合材料１はシート状になっており、金属シート１０と炭素シート２０とが積層されている。炭素シート２０は、金属シート１０に内蔵された状態となっている。本実施形態では、金属シート１０として板状のアルミニウムを用いている。また、複合材料１の熱伝導率を向上させるために、炭素シート２０は金属シート１０の２倍以上の熱伝導率を有していることが望ましい。本実施形態の炭素シート２０は、８００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有している。

炭素シート２０は複数設けられており、複数の炭素シート２０が周期的に配置されている。隣り合う炭素シート２０の間には、所定間隔の切れ目２１が設けられている。図１に示す例では、矩形板状に形成された複数の炭素シート２０が縦横５個ずつマトリクス状に配置されている。

本実施形態の複合材料１は、２枚の金属シート１０が１枚の炭素シート２０を挟み込んで形成されている。２枚の金属シート１０は、炭素シート２０の周囲を取り囲むように互いに接合されている。図１に示す例では、矩形状の炭素シート２０の４辺において、２枚の金属シート１０同士が接合している。つまり、隣り合う炭素シート２０の間に設けられた切れ目２１で２枚の金属シート１０が接合されている。

図３に示すように、複合材料１を形成する前の炭素シート２０は、ミシン目状に切れ目２１が形成され、複数の炭素シート２０が繋がった状態となっている。本実施形態では、切れ目２１の長さＡが２．７０ｍｍ、切れ目２１の幅Ｂが０．２０ｍｍ、隣り合う切れ目２１の間隔Ｃが０．９５ｍｍとなっている。

本実施形態では、炭素シート２０として、厚みが５０〜７０μｍ程度の炭素箔（カネカ製）を用い、オルファ製のミシン目カッターを用いてミシン目状に切れ目２１を形成した。また、個々の炭素シート２０が分離しないように、交差する切れ目２１は、ミシン目のつながった部分同士で交差するようにしている。これにより、炭素シート２０は、隣接する炭素シート２０と角部が繋がった状態となっている。

次に、本実施形態の複合材料１の製造工程を図４に基づいて説明する。まず、炭素シート２０にミシン目状の切れ目２１を形成する切れ目形成工程を行う。なお、切れ目形成工程が本発明の隙間形成工程に対応している。

次に、金属シート１０にロウ材を塗布し、金属シート１０のロウ材が塗布された面が炭素シート２０と接触するように２枚の金属シート１０で炭素シート２０を挟み込むように積層する積層工程を行う。

次に、金属シート１０で炭素シート２０を挟み込んだ積層体を両側から加圧するプレス工程を行う。本実施形態のプレス工程では、１軸プレス機によって５０ｋＮの圧力で３０分間加圧している。プレス工程により、金属シート１０に塗布されたロウ材が外方向に押し出される。このとき、ロウ材の流動により炭素シート２０が引っ張られることで、切れ目２１の開口部が大きくなる。これにより、切れ目２１にロウ材が入り込むとともに、ミシン目状の切れ目２１が開かれ、隣り合う炭素シート２０が分離することとなる。なお、プレス工程が本発明の分離工程に対応している。

次に、炭素シート２０を挟み込んだ金属シート１０を両側から加圧しながら加熱するホットプレス工程を行う。本実施形態では、放電プラズマ焼結装置ＳＰＳ−５１５（住友石炭鉱業株式会社製）を用い、炭素シート２０を挟み込んだ金属シート１０に２０ｋＮの圧力をかけながら５２５℃で加熱し、２０分間保持した後圧力をかけたまま室温まで冷却した。なお、ホットプレス工程が本発明の接合工程に対応している。

以上の製造工程によって本実施形態の複合材料１を得ることができる。製造された複合材料１をＸ線ＣＴにより観察したところ、図５に示すようにすべての切れ目２１が明るく見えた。これにより、炭素シート２０を挟み込む２枚の金属シート１０同士が接合しており、炭素シート２０の周囲は少なくとも４か所で金属シート１０またはロウ材で覆われていることが確認できた。また、複数の炭素シート２０は周期的に配置された構造となっていた。

本実施形態の複合材料１は、炭素シート２０の周囲が金属シート１０またはロウ材で覆われているため、接着剤などを用いることなく、金属シート１０と炭素シート２０とが剥がれることを防止でき、曲げなどの機械的強度を確保することができる。

また、製造された複合材料１の板厚方向の熱伝導率は、金属シート１０の熱伝導率の約４倍であった。つまり、金属シート１０に炭素シート２０を挟み込むことによって高熱伝導化することができた。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態と同様の部分は説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

上記第１実施形態では、金属シート１０にロウ材を塗布し、ホットプレスによって複合材料１を製造したが、本第２実施形態では、金属シート１０にロウ材を塗布せず、ロール圧延によって複合材料１を製造するようになっている。

本第２実施形態の複合材料１の製造工程を図６に基づいて説明する。まず、炭素シート２０にミシン目状の切れ目２１を形成する切れ目形成工程を行う。次に、２枚の金属シート１０で炭素シート２０を挟み込むように積層する積層工程を行う。

次に、金属シート１０と炭素シート２０の積層体をロール圧延によって５０％圧延する圧延工程を行う。圧延工程により、圧延方向に炭素シート２０が引っ張られることで、圧延方向に直交する切れ目２１の開口部が大きくなる。これにより、切れ目２１にロウ材が入り込むとともに、切れ目２１が切り開かれ、圧延方向に隣り合う炭素シート２０が分離することとなる。なお、圧延工程が本発明の分離工程および接合工程に対応している。

以上の製造工程によって本第２実施形態の複合材料１を得ることができる。製造された複合材料１を超音波探傷により観察したところ、図６に示すように炭素シート２０を挟み込む２枚の金属シート１０同士が接合しており、炭素シート２０の周囲は少なくとも２か所で金属シート１０またはロウ材で覆われていることが確認できた。また、複数の炭素シート２０は周期的に配置された構造となっていた。

本第２実施形態の複合材料１でも、炭素シート２０の周囲が金属シート１０またはロウ材で覆われるため、接着剤などを用いることなく、金属シート１０と炭素シート２０とが剥がれることを防止でき、曲げなどの機械的強度を確保することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。上記各実施形態と同様の部分は説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本第３実施形態では、金属シート１０として銅箔を用い、ロウ材として銅ロウ材を用いている。製造工程は、ホットプレス工程での加熱温度を８００℃としたことを除き、図４で示した上記第１実施形態と同様である。

本第３実施形態によっても、上記第１実施形態の複合材料１と同様な構造の複合材料１が得られた。つまり、炭素シート２０の周囲が金属シート１０またはロウ材で覆われており、接着剤などを用いることなく、金属シート１０と炭素シート２０とが剥がれることを防止でき、曲げなどの機械的強度を確保することができる。

また、本第３実施形態で製造された複合材料１の板厚方向の熱伝導率は、金属シート１０の熱伝導率の約２倍であった。つまり、金属シート１０に炭素シート２０を挟み込むことによって高熱伝導化することができた。

（第１比較例）
次に、本発明の第１比較例について説明する。本第１比較例では、炭素シート２０に切れ目２１を形成しなかった点を除き、上記第１実施形態と同一の製造工程でホットプレスにより金属シート１０と炭素シート２０からなる複合材料を製造した。

本第１比較例で得られた複合材料は、金属シート１０と炭素シート２０は手で容易に剥がすことができた。

（第２比較例）
次に、本発明の第２比較例について説明する。本第２比較例では、炭素シート２０に切れ目２１を形成しなかった点を除き、上記第２実施形態と同一の製造工程でロール圧延により金属シート１０と炭素シート２０からなる複合材料を製造した。

本第２比較例で得られた複合材料は、金属シート１０と炭素シート２０は手で容易に剥がすことができた。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。

例えば、上記第１、第２実施形態では、金属シート１０としてアルミニウムを用い、上記第３実施形態では、金属シート１０として銅を用いたが、これに限らず、金属シート１０としてチタンなどの異なる種類の金属を用いることができる。さらには線膨張係数や強度、加工性などを考慮した前記金属を含む合金であってもよい。

また、上記第１、第３実施形態の構成において、ホットプレス工程の後に、複合材料１を常温にしてから再度加圧してもよい。これにより、複合材料１の金属シート１０と炭素シート２０の接触状態を改善でき、金属シート１０と炭素シート２０の熱接触を向上させることができる。

また、上記第２実施形態では、圧延工程において１方向に金属シート１０と炭素シート２０の積層体をロール圧延したが、これに限らず、２方向に金属シート１０と炭素シート２０の積層体をロール圧延するようにしてもよい。これにより、複合材料１の金属シート１０と炭素シート２０の接触状態を改善でき、金属シート１０と炭素シート２０とをより剥がれにくくすることができる。

また、上記各実施形態では、１枚の炭素シート２０と２枚の金属シート２０を交互に積層して複合材料１を構成するようにしたが、これに限らず、２枚以上の炭素シート２０と３枚以上の金属シート２０を交互に積層して複合材料１を構成するようにしてもよい。

１ 複合材料
１０ 金属シート
２０ 炭素シート
２１ 切れ目（隙間）

Claims (6)

1. 炭素シート（２０）の両面に金属シート（１０）が積層された複合材料において、
   前記金属シート（１０）間で複数の前記炭素シート（２０）が周期的に配置されており、
   隣接する前記炭素シート（２０）の間には、所定の隙間（２１）が設けられており、
   前記炭素シート（２０）の両側に積層された前記金属シート（１０）は、前記隙間（２１）を介して互いに接合されていることを特徴とする複合材料。
2. 前記炭素シート（２０）は８００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有していることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。
3. 前記金属シート（１０）は、アルミニウム、銅もしくはチタンまたはそれらを含む合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の複合材料。
4. 隣接する炭素シート（２０）同士が部分的に繋がった状態で、隣接する炭素シート（２０）の間に隙間（２１）を形成する隙間形成工程と、
   前記炭素シート（２０）の両面に金属シート（１０）を積層する積層工程と、
   隣接する前記炭素シート（２０）を互いに分離し、複数の前記炭素シート（２０）が周期的に配置された状態とする分離工程と、
   前記炭素シート（２０）の両面に積層された前記金属シート（１０）を前記隙間（２１）を介して互いに接合する接合工程とを備えることを特徴とする複合材料の製造方法。
5. 前記積層工程では、前記炭素シート（２０）と接する面にロウ材が塗布された前記金属シート（１０）を前記炭素シート（２０）の両面に積層し、
   前記分離工程では、前記炭素シート（２０）の両面に積層された前記金属シート（１０）を外側から加圧して前記ロウ材を流動させ、隣接する前記炭素シート（２０）を分離することを特徴とする請求項４に記載の複合材料の製造方法。
6. 前記分離工程および前記接合工程では、前記炭素シート（２０）の両面に前記金属シート（１０）が積層された積層体を圧延して、隣接する前記炭素シート（２０）を分離するとともに、前記炭素シート（２０）の両面に積層された前記金属シート（１０）を前記隙間（２１）を介して互いに接合することを特徴とする請求項４に記載の複合材料の製造方法。