JP2019122999A

JP2019122999A - 複合体の成形方法

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Publication number: JP2019122999A
Application number: JP2018006485A
Authority: JP
Inventors: 謙猿橋; Ken Saruhashi; 雄一古川; Yuichi Furukawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2038-01-18
Also published as: JP7035549B2

Abstract

【課題】熱伝導性に優れた複合体を得ることができる複合体の成形方法を提供すること。【解決手段】熱伝導材料が分散された複合体の成形方法であって、金属の単体からなる繊維材と、前記熱伝導材料とを含む混合体、及び、前記金属を含む合金からなる溶湯を準備する工程と、前記混合体を、金型内、又は、前記溶湯の注入経路内に配置する工程と、前記溶湯を前記金型内に注入し鋳造する工程と、を有する、複合体の成形方法である。【選択図】図２

Description

本発明は、複合体の成形方法に関する。

金属材料に炭素材料等が分散した複合体が知られている。
当該複合体の製造方法として、特許文献１には、カーボンナノ材料の造粒体とセラミックス繊維材を含む媒質体を所要形状に成形し、焼成してプリフォームとする工程と、前記プリフォームに溶融した金属を含浸させて固化させる工程を含む特定の製造方法が開示されている。しかしながら特許文献１の実施例に示されるように、当該手法では、複合体の熱伝導性は向上しなかった。

また、別の製造方法として、特許文献２には、セラミックコートされたナノカーボンの周囲を金属粉末が取り囲んでなる複合粉末をアルミニウム浴湯に添加して鋳造する方法が開示されている。特許文献１の実施例では、ナノカーボンはゾルゲル法によりセラミックコートされており、当該ナノカーボンと金属粉末はボールミルにより混合されている。
特許文献２によれば、上記製造方法により、ナノカーボンと液状アルミニウムとの反応を抑制できるとされている。しかしながら上記製造方法は、製造工程が多く、生産性や製造コストの点で課題があった。

特開２０１３−１８１２３２号公報特開２０１５−２０３１５５号公報

例えば車両の分野では、車両の電動化が検討されており、種々の電子部品を車両内に実装することが検討されている。電子部品は発熱することから、車両内における放熱技術の要望が高まっている。
本発明者らは、電子部品の周囲に高熱伝導性の部材を配置することで放熱性を向上することを検討した。一つの手段として、例えば、高熱伝導性の銅や、ダイヤモンド等を使用することが考えられたが、重量の増大やコストの課題があった。
一方、車両中の金属部材は、生産性などの点から、一部に鋳造品が用いられている。本発明者らは、このような金属部材に着目し熱伝導性を高める検討を行った。

本発明はこのような観点からなされたものであり、熱伝導性に優れた複合体を得ることができる複合体の成形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る複合体の成形方法は、
熱伝導材料が分散された複合体の成形方法であって、
金属の単体からなる繊維材と、前記熱伝導材料とを含む混合体、及び、
前記金属を含む合金からなる溶湯を準備する工程と、
前記混合体を、金型内、又は、前記溶湯の注入経路内に配置する工程と、
前記溶湯を前記金型内に注入し鋳造する工程と、を有する。

本発明によれば、熱伝導性に優れた複合体を得ることができる複合体の成形方法を提供することができる。

図１は、本実施の複合体の成形方法の一例を示すフローチャートである。図２は、複合体の成形に用いられる鋳造装置の一例を示す模式的な断面図である。図３は、実施例及び比較例の熱伝導性評価結果を示すグラフである。

まず、図１を参照して、本実施に係る複合体の形成方法を説明する。図１は、本実施の複合体の成形方法の一例を示すフローチャートである。図１の例に示される複合体の形成方法は、金属の単体からなる繊維材と熱伝導材料とを含む混合体を準備する工程（Ｓ１）と、別途、前記繊維材の金属と同一の金属を含む合金からなる溶湯を準備する工程（Ｓ２）と、前記混合体を、金型内、又は、前記溶湯の注入経路内に配置する工程（Ｓ３）と、前記溶湯を前記金型内に注入し鋳造する工程（Ｓ４）を有する。なお、本実施形態の複合体の形成方法は、図１の順番に限られず、例えば、溶湯を準備する工程（Ｓ２）は、混合体を準備する工程（Ｓ１）の前であってもよく、混合体の配置の工程（Ｓ３）の後であってもよく、また、上記Ｓ１又はＳ３と同時であってもよい。以下、詳細について説明する。

本実施において、混合体は、金属の単体からなる繊維材と、熱伝導材料とを含み、本発明の効果を損なわない範囲で更に他の成分を含有してもよいものである。

本実施において、上述の混合体を用いることにより熱伝導性に優れた複合体が成形できることについては未解明な部分もあるが以下のように推定される。
上記特許文献１においては、繊維材として融点の高いアルミナ等のセラミック繊維材が用いられている。このようなセラミック繊維材は鋳造時においても溶融せず、成形後に基材となるアルミニウムなどとの間に界面を生じるものと推定される。また、カーボンナノ材料にも熱がかかるため、炭化アルミニウム（Ａｌ_４Ｃ_３）などの生成が促進されるものと推定される。これらの結果、熱伝導率が低下するものと推定される。
一方、本実施においては、後述する溶湯用の合金の融点よりもやや高い融点（例えば合金の融点＋５００℃以下）を有する金属の単体からなる繊維材を用いている。そのため、鋳造時に当該繊維材が合金と溶融して界面を形成しにくいものと推定される。また、繊維材が融解する際に融解熱を必要として吸熱するため、熱伝導材料の表面が高温化することが抑制され、熱伝導率の低下が抑制されるものと推定される。
このようなことから、本実施の複合体の成形方法によれば熱伝導率の高い複合体を得ることができる。

金属の単体からなる繊維材における金属は、後述する溶湯用の合金に含まれる金属であり、適宜選択すればよいものである。当該金属としては、その融点が、後述する合金の融点よりも高く、且つ、１８００℃以下の金属であることが好ましく、また、合金の融点＋５００℃以下の金属であることが好ましい。
本実施において繊維材の金属は、融点や、熱伝導性、軽量性、機械強度等の点から、中でも、アルミニウム（融点：６６０℃）、亜鉛（融点：４２０℃）、マグネシウム（融点：６５０℃）が好ましく、アルミニウムがより好ましい。
本実施において、金属の単体からなる繊維材は、実質的に単一の金属からなる繊維材であるが、不可避的に混入する他の金属を含有してもよい。不可避的に混入する他の金属としては、例えば、鉄、ケイ素などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。本実施において、金属の単体からなる繊維材は、９８質量％以上が単一の金属であればよく、９９質量％以上が単一の金属であることが好ましい。

また変形例として、繊維材の融点が後述する合金の融点よりも高く、且つ、１８００℃以下の金属であるか、または、繊維材の融点が合金の融点＋５００℃以下であれば、単一の金属からなる繊維材以外の繊維材であっても、合金との界面が形成されにくく、熱伝導率の高い複合体を得ることができる。

繊維材の形状は特に限定されないが、例えば、直径０．５μｍ以上１０００μｍ以下、好ましくは、直径１μｍ以上５００μｍ以下のものから適宜選択することができる。

本実施において熱伝導材料は、少なくとも後述する合金よりも熱伝導率の高い材料の中から適宜選択されるものである。本実施においては、熱伝導率に優れ、軽量であるなどの点から、炭素系材料であることが好ましい。
炭素系材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル、カーボンナノフィラメントなどのカーボンナノ材料や、ダイヤモンド粒子などが挙げられ、中でも、カーボンナノ材料が好ましい。
カーボンナノ材料の形状は特に限定されないが、例えば、直径が０．４ｎｍ以上２００ｎｍ以下のものから適宜選択することができる。

本実施において、混合体中の繊維材と熱伝導材料の比率は特に限定されないが、繊維材と熱伝導材料の質量比が、１：９９〜９９：１であることが好ましく、１０：９０〜９０：１０であることがより好ましい。

混合体に含まれ得る他の成分としては、例えば、混合体の調製時に用いられる分散剤などが挙げられる。
分散剤は、公知のものの中から適宜選択することができる。中でも、前記金属がアルミニウムの場合には、分散剤として硝酸アンモニウムを用いることが好ましい。硝酸アンモニウムを用いた場合には、鋳造時に窒化アルミニウムを生成し、高い熱伝導性が得られる。

混合体の調製方法は、繊維材と熱伝導材料とが分散する方法であればよく、特に限定されない。例えば、アルコール等の溶媒に、繊維材と、熱伝導材料と、必要に応じて分散剤と、その他の成分とを配合し、公知の方法で分散した後、溶媒を除去し乾燥することにより、繊維材と熱伝導材料とが分散した顆粒状の混合体を得ることができる。

本実施において溶湯となる合金は、前記繊維材の金属を含む合金である。当該合金は、中でも、前記金属を主成分とする合金であることが好ましい。なお、本実施において合金の主成分とは、当該金属の割合が５０質量％以上の合金をいい、当該金属の割合が８０質量％以上の合金が好ましい。一般に合金の融点は、金属単体の融点よりも低くなる傾向があるため、このような合金を選択することにより、前記繊維材よりも融点の低い合金を選択することができる。このような合金としては、鋳造用の合金として公知の合金の中から適宜選択して用いることができる。

アルミニウムを主成分とする合金としては、中でも、ケイ素、マグネシウム、及び銅より選択される１種以上を含有する合金が好ましい。具体的には、ＪＩＳＨ２２１１（２０１０）に規定される鋳物用アルミウム合金地金や、ＪＩＳＨ２１１８（２００６）に規定されるダイカスト用アルミニウム合金地金などが挙げられる。
亜鉛を主成分とする合金としては、中でも、アルミニウム、マグネシウム、及び銅より選択される１種以上を含有する合金が好ましく、アルミニウムを含有する合金がより好ましい。具体的には、ＪＩＳＨ２２０１（２０１５）に規定されるダイガスト用亜鉛合金地金などが挙げられる。
また、マグネシウムを主成分とする合金としては、中でも、アルミニウム、及び亜鉛より選択される１種以上を含有する合金が好ましい。具体的には、ＪＩＳＨ２２２１（２００６）に規定される鋳物用マグネシウム合金地金や、ＪＩＳＨ２２２２（２００６）に規定されるダイカスト用マグネシウム合金地金などが挙げられる。

上記合金からなる溶湯の調製方法は特に限定されない。通常、所望の組成を有する合金を準備し、当該合金を融点以上に加熱することで準備することができるが、例えば、所望の組成となるように、各金属単体を用意し、それぞれ溶融した後に混合することで準備してもよい。

次に、図２を参照して、混合体の配置の工程（Ｓ３）について説明する。図２は、複合体の成形に用いられる鋳造装置の一例を示す模式的な断面図である。図２の例では、キャビティ２を形成する金型１と、当該金型１に接続するスリーブ３と、スリーブ３内の溶湯６をキャビティ２に注入するためのプランジャー４を備えている。プランジャー４は溶湯６を注入するための開口部５を備えていてもよい。なお、図２の例に示される鋳造装置はダイカスト鋳造用の最低限の構成であり、その他の部分については従来公知のあらゆる構成とすることができる。また、本実施の複合体の成形方法において鋳造法は特に限定されず、低圧鋳造法や、重力鋳造法など、公知のいずれの鋳造法により鋳造してもよく、これらの鋳造法に適した公知の装置を用いることができる。

本実施において混合体は、金型１内、又は、前記溶湯の注入経路内に配置される。溶湯の注入経路とは、スリーブ３と金型１との接続部であってもよく、スリーブ３内であってもよい。スリーブ３内に配置する場合は、混合体を溶湯６中に投入してもよい。
混合体は前述の顆粒状で用いてもよく、当該顆粒状の混合体を、鋳造時の加熱により溶融するアルミ箔等に包んで用いてもよく、また、鋳造時の加熱により蒸発又は分解する粘着剤等に貼り付けて用いてもよい。

次いで、溶湯を前記金型内に注入し鋳造する。図２の例では、油圧などによりプランジャー４を作動して、スリーブ３内の溶湯６を、キャビティ２に注入して鋳造することで成形された複合体を得ることができる。
上記本実施の複合体の成形方法により得られる複合体は、合金内に熱伝導材料が分散され、例えば、熱伝導材料の含有割合が１体積％以下であっても、熱伝導性に優れた複合体となる。
本実施により得られる複合体は、熱伝導材料の含有割合が、１体積％以上５０体積％以下であることが好ましく、２０体積％以上３０体積％以下であることがより好ましい。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。なお、これらの記載により本発明を制限するものではない。

＜製造例１：混合体の調製＞
直径１５０ｎｍのカーボンナノチューブと、直径１５０μｍの純アルミ繊維と、分散剤とを質量比で、１：３：１となるように、エタノールに投入し、分散して、スラリー状の分散液を調製した。次いで、当該分散液を成形し乾燥することで、顆粒状の混合体を得た。

＜実施例１＞
製造例１で得られた混合体１３ｇを図２の製造装置の金型１内に配置した後、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の溶湯を金型１に注入し、鋳造して、実施例１の複合体を得た。

＜実施例２＞
製造例１で得られた混合体１３ｇを図２の製造装置のスリーブ３内（溶湯６内）に配置した後、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の溶湯６とともに混合体を金型１に注入し、鋳造して、実施例２の複合体を得た。

＜実施例３＞
実施例２において、混合体の量を２６ｇに変更した以外は、実施例２と同様にして実施例３の複合体を得た。

＜比較例１＞
実施例１において、混合体を用いなかった以外は実施例１と同様にして、比較例１の鋳造品を得た。

［熱伝導性評価］
実施例及び比較例で得られた複合体又は鋳造品をそれぞれヒーターに貼り付け、当該ヒーターを７２０秒間加熱し、その間のヒーターの温度をモニターし、相対的な評価を行った。ヒーターの測定温度が低いほど、放熱性、即ち熱伝導性に優れていると評価できる。結果を図３に示す。
図３の結果に示されるように、比較例１はヒーターが最大で８０℃まで上昇したのに対し、例えば、実施例２では４４℃までしか上昇せず、放熱性に優れていることが示された。このように本実施により製造された複合体は、熱伝導性に優れている。

１金型
２キャビティ
３スリーブ
４プランジャー
５開口部
６溶湯

Claims

熱伝導材料が分散された複合体の成形方法であって、
金属の単体からなる繊維材と、前記熱伝導材料とを含む混合体、及び、
前記金属を含む合金からなる溶湯を準備する工程と、
前記混合体を、金型内、又は、前記溶湯の注入経路内に配置する工程と、
前記溶湯を前記金型内に注入し鋳造する工程と、を有する、複合体の成形方法。