JP2018115370A - 銅多孔質体、銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の銅繊維の焼結体からなり、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体であって、前記骨格部を形成する銅繊維は、銅又は銅合金からなり、直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上200以下の範囲内とされるとともに、長さ方向に直交する断面の円形度が0.2以上0.9以下の範囲内とされており、気孔率が50%以上95%以下の範囲内とされていることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
例えば、特許文献1には、三次元網目状構造体をなす銅多孔質体を導電性金属の部材本体に一体被着した伝熱部材が提案されている。
そこで、例えば特許文献2,3に示すように、焼結原料として銅又は銅合金からなる銅繊維を用いた銅多孔質体が提案されている。
特許文献3には、銅繊維を大気雰囲気で800℃に加熱した後に、水素雰囲気で450℃に加熱することにより、銅多孔質体を得る方法が開示されている。
ここで、特許文献2においては、銅繊維同士を十分に接合するためには、加圧下において通電焼結を行う必要があるため、加圧によって気孔率が低下してしまうといった問題があった。また、均一に加圧を行う必要があるため、焼結時に使用する成形型の形状が制約されてしまうといった問題があった。
さらに、特許文献3においては、大気雰囲気で加熱を実施することから、銅繊維中の酸素濃度の増加や、その後の水素雰囲気での加熱時にボイドが発生し、銅多孔質体の強度が低下するおそれがあった。
ここで、直径Rとは、各繊維の断面積Aを元に算出される値であり、断面形状に関わらず真円であると仮定し、以下の式により定義されるものである。
R=(A/π)1/2×2
円形度C=(4πA)0.5/Q
断面形状が真円の場合には円形度Cが1となり、断面形状が星形等の凹多角形、アスペクト比の大きい長方形等になると、円形度Cが0に近づくことになる。
よって、高い気孔率を有するとともに十分な強度を有する銅多孔質体を提供することが可能となる。
この構成の銅多孔質複合部材によれば、気孔率が高くかつ強度に優れた銅多孔質体と部材本体との接合体とされていることから、優れた特性の多孔質複合部材を提供することができる。
この場合、前記銅多孔質体と前記部材本体との接合部が焼結層とされているので、前記銅多孔質体と前記部材本体とが強固に接合されることになり、銅多孔質複合部材として優れた強度を得ることができる。
この場合、前記部材本体と前記銅多孔質体とを焼結によって一体化することができ、特性の安定性に優れた銅多孔質複合部材を製造することが可能となる。
まず、本発明の第一の実施形態である銅多孔質体10について、図1から図6を参照して説明する。
本実施形態である銅多孔質体10は、図1に示すように、複数の銅繊維11が焼結された骨格部12を有している。
P(%)=(1−(m/(V×DT)))×100
m:銅多孔質体10の質量(g)
V:銅多孔質体10の体積(cm3)
DT:銅多孔質体10を構成する銅繊維11の真密度(g/cm3)
DA=m/(V×DT)
なお、本実施形態では、銅繊維11には、ねじりや曲げ等の形状付与が施されている。また、本実施形態である銅多孔質体10においては、その見掛け密度比DAが銅繊維11の真密度DTの0.50以下とされている。銅繊維11の形状については、前記見掛け密度比DAが銅繊維11の真密度DTの0.50以下となる限りにおいて、直線状、曲線状など任意であるが、銅繊維11の少なくとも一部に、ねじり加工や曲げ加工等により所定の形状付与加工をされたものを用いると、銅繊維11同士の間の空隙形状を立体的かつ等方的に形成させることができ、その結果、銅多孔質体10の強度、伝熱特性及び導電性等の各種特性の等方性向上に繋がる。
ここで、直径Rとは、各繊維の断面積Aを元に算出される値であり、断面形状に関わらず真円であると仮定し、以下の式により定義されるものである。
R=(A/π)1/2×2
ここで、円形度Cとは、銅繊維11の断面積をA、銅繊維11の断面の周長をQとしたときに、以下の式により定義されるものである。
円形度C=(4πA)0.5/Q
ここで、正多角形の円形度Cを示すグラフを図2に、長方形断面におけるアスペクト比と円形度Cとの関係を示すグラフを図3に示す。
また、長方形形状において円形度Cが0.2以上0.9以下の範囲内となるのは、アスペクト比(長辺長さ/短辺長さ)が80以下の場合となる。
そして、本実施形態においては、骨格部12を構成する銅繊維11は、図4に示すように、断面形状が概略三角形状をなすものとされている。
以上のことから、本実施形態では、銅繊維11の直径Rを0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内に設定している。なお、さらなる強度向上を図る場合には、銅繊維11の直径Rの下限を0.03mm以上とすることが好ましく、銅繊維11の直径Rの上限を0.5mm以下とすることが好ましい。
以上のことから、本実施形態では、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/Rを4以上、200以下の範囲内に設定している。なお、さらなる気孔率Pの向上を図る場合には、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/Rの下限を10以上とすることが好ましい。また、気孔率Pがさらに均一な銅多孔質体10を得るためには、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/R上限を100以下とすることが好ましい。
一方、骨格部12を形成する銅繊維11の断面の円形度Cが0.9を超える場合には、断面形状が真円に近くなるため、充填時に銅繊維11同士の接触部が点接触となるため、各接触点での銅繊維11接合強度が低下し、結果的に焼結後の銅多孔質体10の強度が不足するおそれがある。
これは金属繊維同士を接合させてなる三次元網目状構造体において、引張強度は繊維同士の接合強度が弱い箇所の影響が大きいため、点接触で接合強度が弱い接触点が形成されると、引張時に上記接触点を起点として、破壊が進展するためと考えられる。
以上のことから、本実施形態では、骨格部12を形成する銅繊維11の断面の円形度Cを0.2以上、0.9以下の範囲内に設定している。なお、さらなる気孔率Pの向上及び強度の向上を図る場合には、骨格部12を形成する銅繊維11の断面の円形度Cの下限を0.3以上とすることが好ましく、上限を0.85以下とすることが好ましい。
まず、図6に示すように、上述した銅繊維11を、散布機31から黒鉛製容器32内に向けて散布して嵩充填し、銅繊維11を積層する(銅繊維積層工程S01)。
ここで、この銅繊維積層工程S01では、充填後の嵩密度DPが銅繊維11の真密度DTの40%以下となるように複数の銅繊維11を積層配置する。なお、本実施形態では、銅繊維11にねじり加工や曲げ加工等の形状付与加工が施されているので、積層時に銅繊維11同士の間に立体的かつ等方的な空隙が確保されることになる。
本実施形態における焼結工程S02の加熱条件は、保持温度が500℃以上、1050℃以下、保持時間が5分以上、600分以下の範囲内とされている。
以上のことから、本実施形態においては、焼結工程S02における保持温度を500℃以上、1050℃以下に設定している。なお、銅繊維11の焼結を確実に行うためには、焼結工程S02における保持温度の下限を600℃以上、保持温度の上限を1000℃以下、とすることが好ましい。
以上のことから、本実施形態においては、焼結工程S02における保持時間を5分以上、600分以下の範囲内に設定している。なお、銅繊維11の焼結を確実に行うためには、焼結工程S02における保持時間の下限を10分以上、保持時間の上限を180分以下とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、上述のように焼結工程S02を加圧することなく還元性雰囲気、不活性雰囲気及び真空雰囲気で実施しているので、銅繊維11のバルク形状や表面形状が大きく変化することはなく、焼結前後において断面の円形度Cは殆ど変化しない。
よって、本実施形態によれば、気孔率Pが50%以上95%以下の範囲内と高く、かつ、優れた強度を有する銅多孔質体10を提供することが可能となる。
次に、本発明の第二の実施形態である銅多孔質複合部材100について、添付した図面を参照して説明する。
図7に、本実施形態である銅多孔質複合部材100を示す。この銅多孔質複合部材100は、銅又は銅合金からなる銅板120(部材本体)と、この銅板120の表面に接合された銅多孔質体110と、を備えている。
そして、骨格部を形成する銅繊維は、長さ方向に直交する断面の円形度Cが0.2以上0.9以下の範囲内とされている。
なお、本実施形態では、銅繊維には、ねじりや曲げ等の形状付与が施されている。また、本実施形態である銅多孔質体110においては、その見掛け密度比DAが銅繊維の真密度DTの50%以下とされている。
まず、部材本体である銅板120を準備する(銅板配置工程S100)。次に、この銅板120の表面に銅繊維を分散させて積層配置する(銅繊維積層工程S101)。ここで、この銅繊維積層工程S101では、嵩密度DPが銅繊維の真密度DTの40%以下となるように複数の銅繊維を積層配置する。
本実施形態における焼結及び接合工程S102の加熱条件は、保持温度が500℃以上、1050℃以下、保持時間が5分以上、600分以下の範囲内とされている。
さらに、焼結及び接合工程S102における雰囲気は、還元性雰囲気、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気とされており、具体的には、水素ガス、RXガス、アンモニア分解ガス、窒素−水素混合ガス、アルゴン−水素混合ガス等の還元性ガスを用いてもよいし、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを用いてもよい。さらに、100Pa以下の真空雰囲気としてもよい。
その結果、銅多孔質複合部材100を蒸発器などの熱交換部材に用いた場合の熱交換効率や保水性、蒸発効率等の各種特性を大幅に向上させることが可能となる。
例えば、図6に示す製造設備を用いて、銅多孔質体を製造するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の製造設備を用いて銅多孔質体を製造してもよい。
また、第二の実施形態では、図7に示す構造の銅多孔質複合部材を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、図9から図14に示すような構造の銅多孔質複合部材であってもよい。
あるいは、図10に示すように、銅多孔質体310の中に、部材本体としてU字状に湾曲された銅管320が挿入された構造の銅多孔質複合部材300であってもよい。
また、図12に示すように、部材本体である銅管520の外周面に銅多孔質体510を接合した構造の銅多孔質複合部材500であってもよい。
また、図14に示すように、部材本体である銅板720の両面に銅多孔質体710を接合した構造の銅多孔質複合部材700であってもよい。
また、図16に示すように、部材本体である扁平銅管920の両面に銅多孔質体910を接合した構造の銅多孔質複合部材900であってもよい。
表1に示す焼結原料(銅繊維)を用いて、上述の実施形態で示した製造方法により、幅30mm×長さ200mm×厚さ5mmの銅多孔質焼結体を製造した。なお、原料となる銅繊維の直径R、長さLと直径Rとの比L/R、円形度Cは、以下のように測定した。
また、得られた銅多孔質焼結体についても、骨格部を形成する銅繊維の断面の直径R、長さLと直径Rとの比L/R、円形度C、気孔率、引張強度について、以下のように評価した。評価結果を表2に示す。
焼結原料となる銅繊維、及び、銅多孔質焼結体から取り出した銅繊維の長さ方向に直交する断面を光学顕微鏡で観察し、撮影された画像を用いて画像処理によって算出された円換算径(Heywood径)R=(A/π)0.5×2の単純平均値を算出した。これを銅繊維の直径Rとした。
銅繊維の長さLは、焼結原料となる銅繊維、及び、銅多孔質焼結体から取り出した銅繊維に対してマルバーン社製粒子解析装置「Morphologi G3」を用いて画像解析し、算出された単純平均値を用いた。これを用いて、長さLと直径Rとの比L/Rを算出した。
焼結原料となる銅繊維、及び、銅多孔質焼結体から取り出した銅繊維の長さ方向に直交する断面を光学顕微鏡で観察し、撮影された画像を用いて画像処理によって算出された断面積A(mm2)、及び周長Q(mm)の単純平均値を用いて、以下の式で算出した。
円形度C=(4πA)0.5/Q
精密天秤を用いて水中法により真密度DT(g/cm3)を測定し、以下の式で気孔率Pを算出した。なお、銅多孔質焼結体の質量をm(g)、銅多孔質焼結体の体積をV(cm3)とした。
気孔率P(%)=(1−(m/(V×DT)))×100
得られた銅多孔質焼結体を幅10mm×長さ100mm×厚さ5mmの試験片に加工した後、インストロン型引張試験機を用いて引張試験を行い、最大引張強度S(N/mm2)を測定した。前記測定により得られた最大引張強度は見掛け密度により変化するため、本実施例では、前記最大引張強度Sを前記見掛け密度比DAで規格化した値(S/DA)を相対引張強度として定義した。なお、見掛け密度比DAは、以下の式で算出した。
DA(N/mm2)=m/(V×DT)
また、銅繊維の長さLと直径Rとの比L/Rが2とされた比較例3においては、気孔率Pが46%と低くなった。
さらに、銅繊維の長さLと直径Rとの比L/Rが300とされた比較例4においては、強度が低くなっている。これは、部分的に空隙が大きな箇所が存在し、局所的に強度が大幅に低下したためと推測される。
銅繊維の断面の形状が星形であって円形度Cが0.15とされた比較例6においては、引張強度が低くなった。銅繊維の表面の凹凸が大きく、銅繊維同士の接触点が少なくなったためと推測される。
銅繊維の断面の形状が長方形であって円形度Cが0.18とされた比較例7においては、気孔率が低くなった。銅繊維の断面形状が箔状となって、銅繊維同士の間にすき間が形成されなかったためと推測される。
以上のことから、本発明によれば、高い気孔率を有するとともに十分な強度を有する高品質の銅多孔質焼結体を提供可能であることが確認された。
11 銅繊維
12 骨格部
100 銅多孔質複合部材
120 銅板(部材本体)
Claims (6)
- 複数の銅繊維の焼結体からなり、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体であって、
前記骨格部を形成する銅繊維は、銅又は銅合金からなり、直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上200以下の範囲内とされるとともに、長さ方向に直交する断面の円形度が0.2以上0.9以下の範囲内とされており、
気孔率が50%以上95%以下の範囲内とされていることを特徴とする銅多孔質体。 - 部材本体と、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体との接合体からなる銅多孔質複合部材であって、
前記銅多孔質体が請求項1に記載の銅多孔質体であることを特徴とする銅多孔質複合部材。 - 前記部材本体のうち前記銅多孔質体との接合面が銅又は銅合金で構成され、前記銅多孔質体と前記部材本体との接合部が焼結層とされていることを特徴とする請求項2に記載の銅多孔質複合部材。
- 複数の銅繊維の焼結体からなり、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体の製造方法であって、
直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上200以下の範囲内とされるとともに、長さ方向に直交する断面の円形度が0.2以上0.9以下の範囲内とされた前記銅繊維を積層する銅繊維積層工程と、
積層された複数の前記銅繊維同士を焼結する焼結工程と、を備えていることを特徴とする銅多孔質体の製造方法。 - 部材本体と、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体との接合体からなる銅多孔質複合部材の製造方法であって、
請求項1に記載の銅多孔質体と、前記部材本体とを接合する接合工程を備えていることを特徴とする銅多孔質複合部材の製造方法。 - 前記部材本体のうち前記銅多孔質体が接合される接合面は、銅又は銅合金で構成されており、前記接合工程は、前記銅多孔質体と前記部材本体とを焼結によって接合することを特徴とする請求項5に記載の銅多孔質複合部材の製造方法。
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