JP2020006441A - グラフェン金属複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】グラフェン金属複合材料の製造方法を提供する。【解決手段】複数の金属粒子を含む金属粉末、蝋材料を含むバインダー、連なった複数のグラフェン分子からなる複数のグラフェンフレークを含むグラフェン粉末を供給、混合し、粉体原料とする。その際の混合の摩擦熱によって、炭素原子を官能基に連結している三共有結合が破断し、複数の官能基が分離した各グラフェン分子が、他のグラフェン分子に結合して、各金属粒子をグラフェン分子に覆わせる。次に、粉体原料を加熱融解し、金型に注いで射出成形して未加工品として硬化させる。未加工品を溶剤脱脂して一部のバインダーを除去し、脱脂半製品の内部に隙間を形成させてから１４０℃〜１７０℃の間の温度で加熱脱脂する。最後に、金属粒子を金属本体として融合させるとともに金属本体中にグラフェン分子を三次元網状となった状態で結合させるように、脱脂半製品を焼結する。【選択図】図１

Description

本発明は、グラフェン金属複合材料に関し、特に、グラフェンを均一に混合するグラフェン金属複合材料の製造方法である。

現在、炭化ケイ素強化銅基複合材料、アルミナ強化銅基複合材料の調製及び用途は、技術が熟達しつつあるが、その総合性能と、実際のニーズとにはまだ隔たりがある。グラフェンは、優れた機械的性能、熱的性能及び電気性能を備えており、熱伝導複合材料を調製する最も理想的な強化材の１つである。しかしながら、グラフェン強化銅アルミニウム基複合材料に関する従来の研究は、まだ始まったばかりであり、関連の研究活動が期待されている。どのようにグラフェンを銅アルミニウム基体に均一に分散させつつ、グラフェンの微細構造を破壊せずにグラフェンと金属との間に良好な接触界面を形成させるかが、研究における重要な難題となっている。

本発明者は、これを鑑み、上述した従来技術に対して鋭意検討し、学理の運用を考え合わせて、本発明者の改良の目的である上述の課題の解消に尽力した。

本発明により、グラフェンを均一に混合するグラフェン金属複合材料の製造方法が提供される。

本発明により、以下のステップを含むグラフェン金属複合材料の製造方法が提供される。すなわち、金属粉末、グラフェン粉末及びバインダーを提供するステップであり、金属粉末が、複数の金属粒子を含み、バインダーが、蝋材料を含み、グラフェン粉末が、複数のグラフェンフレークを含み、各グラフェンフレークが、連なった複数のグラフェン分子を含み、各グラフェン分子が、環状に連結された６つの炭素原子を含み、各グラフェン分子のうちの１つの炭素原子が、１つの三共有結合で官能基に連結している。また、金属粉末、グラフェン粉末及びバインダーを粉体原料として混合するステップであり、混合の摩擦により熱が生じることによって、各官能基が連結した各三共有結合が熱を吸収して破断し、複数の官能基が各グラフェン分子から分離した後に、各グラフェン分子が、破断した三共有結合によって他のグラフェン分子に結合して、各金属粒子をグラフェン分子に覆わせる。また、粉体原料を液体混合原料として融解するまで加熱するステップであり、液体混合原料が、金属粉末、液体のバインダー及びグラフェン粉末を含む。また、液体混合原料を金型に注いで射出成形して未加工品として硬化させるステップである。また、未加工品中のバインダーを除去して脱脂半製品を形成するステップであり、まず、未加工品を溶剤脱脂して一部のバインダーを除去し、脱脂半製品の内部に隙間を形成させてから１４０℃〜１７０℃の間の温度で加熱脱脂する。また、金属粒子を金属本体に融合させるとともにこの金属本体中にグラフェン分子を三次元網状となった状態で結合させるように、脱脂半製品を焼結するステップである。

本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法では、未加工品が、均一に混合した複数の金属粒子及び複数のグラフェンフレークを含み、各グラフェンフレークが、固体のバインダーにより覆われて、複数の金属粒子に結合する。

本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法では、溶剤脱脂により、未加工品を溶液に浸漬して、バインダーを溶解させる。

本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法では、加熱脱脂により、未加工品を熱処理して、バインダーを気化させる。

本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法では、金属本体が、アルミニウム又は銅である。

本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法では、官能基が、酸素含有官能基である。官能基が、ステアリン酸である。

本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法では、バインダーが、重量％で０.５％〜２％のカップリング剤を含み、カップリング剤が、チタン酸エステル化合物又は有機クロム化合物である。

本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法では、バインダーが、重量％で５〜２０％の分散剤を含み、分散剤が、メチルアミルアルコール、ポリアクリルアミド又は脂肪酸ポリエチレングリコールエステルである。

以上をまとめると、本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法は、金属粉末及びバインダーの混合の際にグラフェンを加え、混練造粒してから金属、バインダー及びグラフェンの混合物を形成し、射出成形、脱脂した後に、焼結階段で金属粉末及びグラフェンを結合させ、その熱伝導率を向上させる。

本発明の好ましい実施例に係るグラフェン金属複合材料の製造方法のフローチャートである。 本発明の好ましい実施例に係るグラフェン金属複合材料の製造方法における粉体原料を模式的に示す図である。 本発明の好ましい実施例に係るグラフェン金属複合材料の製造方法における射出成形ステップを模式的に示す図である。 本発明の好ましい実施例に係るグラフェン金属複合材料の製造方法における未加工品を模式的に示す図である。 本発明の好ましい実施例に係るグラフェン金属複合材料の製造方法における脱脂半製品を模式的に示す図である。 本発明の好ましい実施例に係るグラフェン金属複合材料を模式的に示す図である。 グラフェンを模式的に示す図である。 官能基化グラフェンを模式的に示す図である。

図１〜図６を参照すると、本発明の好ましい実施例により、グラフェン金属複合材料及びその製造方法が提供される。本実施例では、本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法は、少なくとも以下のステップａ〜ｆを含む。

ステップａでは、アルミニウム粉末又は銅粉末である金属粉末（metal powder）、グラフェン粉末（graphene powder）及びバインダー（binder）３００を提供する。金属粉末が、複数の金属粒子（アルミニウム粒子又は銅粒子）１００を含み、グラフェン粉末が、複数のグラフェンフレーク２００を含み、各グラフェンフレーク２００が、図７に示されるように連なった複数のグラフェン分子２００ａを含む。図１、図７及び図８を参照すると、グラフェンフレーク（図７に示す）が、修飾されて官能基と連結して官能基化グラフェン（図８に示す）になる。本実施例では、官能基が、ステアリン酸等の酸素含有官能基であることが好ましく、酸素含有官能基が、三共有結合（ＳＰ３）でグラフェンのうちの１つの炭素原子２００ｂに結合する。各グラフェン分子２００ａが、環状に連結された６つの炭素原子２００ｂを含み、図８に示されるように、各グラフェン分子２００ａのうちの１つの炭素原子２００ｂが、１つの三共有結合で官能基に連結する。バインダー３００が、主に、パラフィン、マイクロクリスタリンワックス又はアクリルワックス等を含む蝋材料であり、一般には、低分子量の熱可塑性ポリマー又はオイル類からなる。バインダー３００には、蝋材料を固定させるカップリング剤として重量％で０.５％〜２％のチタン酸エステル化合物又は有機クロム化合物が含まれる。バインダー３００には、蝋材料を均一に分散させることができるように、重量％で５％〜２０％の分散剤が含まれ、分散剤が、メチルアミルアルコール、ポリアクリルアミド又は脂肪酸ポリエチレングリコールエステルとすることができる。

ステップｂでは、ステップａで提供された金属粉末、グラフェン粉末及びバインダー３００を混練造粒（mixing and granulation）処理して粉体原料１０とする。混練造粒では、金属粉末、グラフェン粉末及びバインダー３００を均一に混合し、それによって、粉体原料１０中の金属粒子１００及びグラフェンフレーク２００を分散剤中に分散させてそれぞれバインダー３００で覆われるようにすることができる。官能基化グラフェンは、ステップｂで金属粉末及びバインダー３００におけるグラフェンフレーク２００の分散性を向上させる。或る程度の官能基がグラフェンフレーク２００に入ると、これらのグラフェンフレーク２００が同じ電荷を有するようになるので、グラフェンフレーク２００に官能基が付いた場合、同じ電荷間に静電反発力が生じ、それによって、グラフェンフレーク２００を互いに反発させて分離させ、分散剤及びバインダー３００中に均一に分散させることができるようになる。ステップｂの混練中に、官能基化されたグラフェンフレーク２００の摩擦により熱が生じ、その酸素含有官能基の三共有結合が熱を吸収して破断し、酸素含有官能基が分離する。このため、酸素含有官能基が結合していた炭素原子２００ｂが、直ちに、グラフェンフレーク２００中の炭素原子２００ｂから破断した三共有結合で他のグラフェンフレークと再び結合し、これによって、グラフェンフレーク２００が平面状に連結され、各金属粒子１００を好ましくは１０層以下の何層にも覆って球体状になる。

ステップｂに続いて、ステップｃでは、液体混合原料２０として融解するまで粉体原料１０を加熱する。液体混合原料２０が、金属粉末、液体のバインダー３００及びグラフェン粉末を含む。

ステップｃに続いて、ステップｄでは、液体混合原料２０を金型４００に注ぎ、射出成形して未加工品３０（green part）として硬化させる。未加工品３０が、均一に混合した金属粒子１００及びグラフェンフレーク２００を含み、各グラフェンフレーク２００が、固体のバインダー３００に覆われて金属粒子１００に結合する。

ステップｅでは、ステップｄに続いて、未加工品３０を脱脂（debinding）処理して未加工品３０中のバインダー３００を除去し、脱脂半製品４０（brown part）を形成する。脱脂手段は、加熱脱脂（thermal debinding）、又は溶剤脱脂（watery/solvent debinding）とすることができる。加熱脱脂では、未加工品３０を熱処理し、不活性ガスを流動媒体とし、バインダー３００を分解して気化させるとともに媒体により運び去るように昇温する。真空脱脂では、高温及び高真空を用いてバインダー３００を蒸発させてから、蒸留分子により運び去る。溶剤脱脂では、溶剤を用いてバインダー３００を溶解する。また、加熱脱脂及び溶剤脱脂は同時に実施することができる。まず、未加工品３０を溶剤脱脂して一部のバインダー３００を除去し、脱脂半製品４０内部に隙間を形成させてから加熱脱脂するので、高温ガスが隙間を通り抜けて残りのバインダー３００を分解して排出させるのに有益である。ステップｅでは、加熱脱脂ステップの温度が、金属粒子１００の融点未満であってバインダー３００の融点又は沸点超であることが好ましく、作業環境温度を１４０℃〜１７０℃に加熱する。グラフェンフレーク２００は沸点が金属粒子１００及びバインダー３００よりも遥かに高く、融解しないので、熱処理の際に構造が破壊されることはない。

ステップｅに続いて、ステップｆでは、金属粒子１００を融解して互いに結合させて金属本体１００ａになるように、脱脂半製品４０を焼結する。金属粒子１００が銅である場合には、作業環境温度を１０５０℃に加熱して１時間焼結し、金属粒子１００がアルミニウムである場合には、作業環境温度を６００℃に加熱して１時間焼結する。グラフェンフレーク２００は沸点が金属粒子１００及びバインダー３００よりも遥かに高く、融解しないので、熱処理の際に構造が破壊されることはなく、グラフェン分子２００ａが均一に金属本体１００ａ中に分布される。金属本体１００ａが、アルミニウム又は銅である。これによって、本発明のグラフェン金属複合材料の完成品５０が製造された。

図６を参照すると、上述の製造方法により本発明のグラフェン金属複合材料の完成品５０が製造され、本発明のグラフェン金属複合材料が、金属本体１００ａ及び金属本体１００ａ内に埋め込まれた複数のグラフェン分子２００ａを含む。金属本体１００ａが、アルミニウム又は銅であり、グラフェン分子２００ａが、均一に金属本体１００ａ中に分布されている。

以上をまとめると、本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法では、金属粉末及びバインダー３００を混合する際にグラフェン粉末を加え、混練造粒してから金属粒子１００、グラフェンフレーク２００及びバインダー３００の混合物を形成し、射出成形、脱脂した後に、焼結階段において、完成品５０中で球体状に配列して金属粒子１００を覆っていたグラフェン分子２００ａが、球体を連ねた三次元網状となった状態で金属本体１００ａ中に結合して、完成品５０の熱伝導率が向上する。グラフェンにより金属材の熱伝導率が向上するので、純金属を熱伝導媒体とする場合に比べると、熱伝導総量が同じである場合には、本発明は、構成がよりコンパクトなグラフェン金属複合材料を熱伝導媒体とすることができる。さらに、本発明は、官能基を加えることによってグラフェンフレーク２００を比較的規則的な配列とし、従来のランダム分散構造に比べると、熱がその中により均一に分散されるので、より優れた熱伝導効率を有する。

以上の記載は、本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。本発明の主旨を用いたその他の均等な置換は、いずれも本発明の特許請求の範囲に該当するものとする。

１０ 粉体原料
２０ 液体混合原料
３０ 未加工品
４０ 脱脂半製品
５０ 完成品
１００ 金属粒子
１００ａ 金属本体
２００ グラフェンフレーク
２００ａ グラフェン分子
２００ｂ 炭素原子
３００ バインダー
４００ 金型
ａ〜ｆ ステップ

Claims (9)

1. ａ）金属粉末、グラフェン粉末及びバインダーを提供するステップであって、該金属粉末が、複数の金属粒子を含み、該バインダーが、蝋材料を含み、該グラフェン粉末が、複数のグラフェンフレークを含み、各該グラフェンフレークが、連なった複数のグラフェン分子を含み、各該グラフェン分子が、環状に連結された６つの炭素原子を含み、各該グラフェン分子のうちの１つの該炭素原子が、１つの三共有結合で官能基に連結している、ステップと、
   ｂ）前記金属粉末、前記グラフェン粉末及び前記バインダーを粉体原料として混合するステップであって、混合の摩擦により熱が生じることによって、各前記官能基が連結した各前記三共有結合が熱を吸収して破断し、前記複数の官能基が各前記グラフェン分子から分離した後に、各前記複数のグラフェン分子が、破断した前記三共有結合によって他の該複数のグラフェン分子に結合して、各前記金属粒子を該複数のグラフェン分子に覆わせる、ステップと、
   ｃ）前記粉体原料を液体混合原料として融解するまで加熱するステップであって、該液体混合原料が、前記金属粉末、液体の前記バインダー及び前記グラフェン粉末を含む、ステップと、
   ｄ）前記液体混合原料を金型に注いで射出成形して未加工品として硬化させるステップと、
   ｅ）前記未加工品中の前記バインダーを除去して脱脂半製品を形成するステップであって、まず、該未加工品を溶剤脱脂して一部の該バインダーを除去し、該脱脂半製品の内部に隙間を形成させてから１４０℃〜１７０℃の間の温度で加熱脱脂する、ステップと、
   ｆ）前記複数の金属粒子を金属本体に融合させるとともに該金属本体中に前記複数のグラフェン分子を三次元網状となった状態で結合させるように、前記脱脂半製品を焼結するステップと、
   を含む、グラフェン金属複合材料の製造方法。
2. 前記ステップｄでは、前記未加工品が、均一に混合した前記複数の金属粒子及び前記複数のグラフェンフレークを含み、各該グラフェンフレークが、固体の前記バインダーにより覆われて、前記複数の金属粒子に結合する、請求項１に記載のグラフェン金属複合材料の製造方法。
3. 前記ステップｅでは、前記溶剤脱脂により、前記未加工品を溶液に浸漬して、前記バインダーを溶解させる、請求項１に記載のグラフェン金属複合材料の製造方法。
4. 前記ステップｅでは、前記加熱脱脂により、前記未加工品を熱処理して、前記バインダーを気化させる、請求項１に記載のグラフェン金属複合材料の製造方法。
5. 前記金属本体が、アルミニウム又は銅である、請求項４に記載のグラフェン金属複合材料の製造方法。
6. 前記官能基が、酸素含有官能基である、請求項１に記載のグラフェン金属複合材料の製造方法。
7. 前記官能基が、ステアリン酸である、請求項６に記載のグラフェン金属複合材料の製造方法。
8. 前記バインダーが、重量％で０.５％〜２％のカップリング剤を含み、該カップリング剤が、チタン酸エステル化合物又は有機クロム化合物である、請求項１に記載のグラフェン金属複合材料の製造方法。
9. 前記バインダーが、重量％で５％〜２０％の分散剤を含み、該分散剤が、メチルアミルアルコール、ポリアクリルアミド又は脂肪酸ポリエチレングリコールエステルである、請求項１に記載のグラフェン金属複合材料の製造方法。