JP2020521712A - 高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜およびその製造方法 - Google Patents

高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜およびその製造方法を開示する。ポリイミド系炭素膜表面に酸化グラフェン水溶液を均等に塗布し、さらに、もう１枚の同様に酸化グラフェン水溶液を均等に塗布したポリイミド系炭素膜を被せ、この操作を繰り返し、乾燥させた後、ポリイミド系炭素膜の間で酸化グラフェンによって接着を実現することにより厚膜を形成する。さらなる低温ホットプレスによってポリイミド系炭素膜の間の粘着をよりしっかりしたものにし、最終的に低温加熱予備還元、高温高圧熱処理を経て欠陥を修復し、高熱伝導のポリイミド系厚炭素膜を得ることができる。この高熱伝導のポリイミド系厚炭素膜の厚みが１００μｍを超え、面方向熱伝導率が１７００Ｗ／ｍＫ以上に達することができ、高周波高熱流密度デバイスにおいて大きな使用の見通しを有する。

Description

本発明は、新規の熱伝導材料および方法に関し、特に酸化グラフェン接着剤を用いて厚みが比較的大きい高熱伝導のポリイミド系炭素膜およびグラフェン／ポリイミド複合炭素膜を製造することに関する。
炭素膜は、比重が軽く、酸・アルカリ・有機溶剤への耐性をもち、伝熱性および導電性がよく、耐熱衝撃性、耐摩耗性、自己潤滑性、機械加工性および生体適合性がよく、異方性が大きいという特性を有している。そのため、宇宙技術分野、原子力産業、電子情報技術分野などで広範に用いられている。
現在、主に化学気相成長および高分子炭化法を用いて炭素膜が製造されている。化学気相成長の主な欠点は、コストが比較的高いとともに、厚い炭素膜を堆積するのに長い周期を必要とすることであり、技術的に実現が難しい。高分子炭化法により炭素膜材料を製造することは、将来性のある方法であり、工程は簡単で、エネルギー消費が少なく、製造されるフィルムの構造は緊密で、良好な力学強度を有する。ポリイミドは、大量の芳香複素環構造を含有する合成樹脂であり、炭化収率が比較的高く、構造が緻密であるとともに、良好な成形工程を有し、フィルム、ブロック体、異型体などの複雑な部材を製造することができるが、現在、炭化温度が高く、消費エネルギーが大きく、炭化周期が長く、炭化膜炭化率が比較的低く、製造される炭化膜の脆性が比較的大きく割れやすいなどの問題が依然として存在している。
しかしながら、現在、高分子炭化法によって製造された高熱伝導の炭素膜は、通常、厚みが１０μｍ〜１００μｍであるが、厚みが１００ミクロン以上のポリイミド系炭素膜またはブロック材は、炭化および黒鉛化の過程における寸法の収縮が重大であり、内応力が大きすぎ、炭化率が高くなく、その中のグラファイトシート層の間隔が大き目または不均等になるなどの問題があるため、その面方向熱伝導率は、通常、８００Ｗ／ｍＫ以下である。
本発明の目的は、先行技術の課題を克服し、高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜およびその製造方法を提供することである。
本発明の目的は、以下の技術手法によって実現される。製造されるポリイミド系複合炭素膜の厚みが１００μｍを超え、空孔率が１０〜４０％であり、成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔が２０ｎｍ未満である、高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜である。
さらに、前記製造方法は、次のステップを含む。
（１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度１〜１０ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製する。
（２）市販されているポリイミド系炭素膜に対して酸素プラズマ処理を行い、親水性をもたせる。
（３）ステップ２における複数のポリイミド系炭素膜を複合化する。具体的には、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド系炭素膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド系炭素膜を厚み方向に接着する。
（４）接着後のポリイミド系複合炭素膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃以下とした。
（５）乾燥させたポリイミド系複合炭素膜をホットプレス機のホットプレスキャビティの中に置き、０．１〜５℃／分の速度で２００℃まで昇温した後、
圧力２０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−１００〜１０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを１〜５回繰り返し、
次いで、０．１〜５℃／分の速度で３００℃まで昇温し、０．５時間保温した後、
圧力６０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−１００〜１０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを１〜５回繰り返し、
ホットプレスプロセス終了後に自然冷却させるステップと、
（６）ステップ５でホットプレスしたポリイミド系複合炭素膜を、不活性ガス雰囲気において１〜２０℃／分の速度で２４００〜３０００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、０．５〜８時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとする。冷却プレス後に、高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得る。
製造されるグラフェン／ポリイミド複合炭素膜の厚みが１００μｍを超え、空孔率が１０〜４０％であり、面方向熱伝導率が１０００〜１７００Ｗ／ｍＫである、高熱伝導のグラフェン／ポリイミド複合炭素膜である。得られるグラフェン／ポリイミド複合炭素膜は成層現象がない。すなわち、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔は２０ｎｍ未満である。
高熱伝導のグラフェン／ポリイミド複合炭素膜の製造方法は、次のステップを含む。
（１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度１〜１０ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製する。
（２）複数のポリイミド膜を複合化する。具体的には、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド膜を厚み方向に接着する。
（３）接着後の酸化グラフェン／ポリイミド複合膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃未満とする。
（５）乾燥させた酸化グラフェン／ポリイミド複合膜をアルゴン雰囲気の炭化炉の中に置き、０．１〜１０℃／分の速度で１０００℃まで徐々に昇温して熱処理し、１００℃ごとに１時間恒温状態とし、プロセス全体で圧力を２０ＭＰａ〜２００ＭＰａに維持する。
（６）ステップ５でホットプレスしたグラフェン／ポリイミド複合炭素膜を、不活性ガス雰囲気において１〜２０℃／分の速度で２５００〜３０００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、０．５〜８時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとする。冷却プレス後に、高熱伝導のグラフェン／ポリイミド複合炭素膜を得る。
さらに，前記ステップ１の酸化グラフェンのＣ／Ｏ比が１．８〜２．１である。
本発明は、ポリイミド系炭素膜を親水処理し、次いで、その表面に濃度１〜１０ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を均等に吹付けた後、複数のポリイミド系炭素膜を厚み方向に接着し、乾燥させた後、ポリイミド系炭素膜は、酸化グラフェンによって粘着を実現することができる。さらなる低温ホットプレスによって、ポリイミド系炭素膜の間の粘着をよりしっかりしたものにし、最終的にさらに高温高圧ホットプレス処理の方式を経て炭素膜の黒鉛化程度を高め、構造の欠陥を修復し、グラファイトシートの配向度を高め、炭素膜で三次元グラファイト構造を最大限に形成し、熱伝導通路が阻害されないことを保証し、高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得る。
４ｍｇ／ｍＬ酸化グラファイトの薄い水溶液を用いて接着したポリイミド複合膜のＳＥＭ断面図である。
本発明は、酸化グラフェンの接着性能を用いて高熱伝導のポリイミド複合炭素膜を製造する方法を開示する。ポリイミド膜の粘着を実現するため、本発明は、ポリイミド系炭素膜を親水処理し、次いで、その表面に濃度１〜１０ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を均等に吹付けた後、複数のポリイミド系炭素膜を厚み方向に接着し、乾燥させた後、ポリイミド系炭素膜は、酸化グラフェンによって粘着を実現することができる。さらなる低温ホットプレスによって、ポリイミド系炭素膜の間の粘着をよりしっかりしたものにし、最終的にさらに高温高圧ホットプレス処理の方式を経て炭素膜の黒鉛化程度を高め、構造の欠陥を修復し、グラファイトシートの配向度を高め、炭素膜で三次元グラファイト構造を最大限に形成し、熱伝導通路が阻害されないことを保証し、高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得る。その厚みは１００μｍを超え、空孔率が１０〜４０％、熱伝導率が１０００〜１７００Ｗ／ｍＫであり、大きな実際の応用価値を有する。
本発明は、酸化グラフェンの接着性能を用いてグラフェン／ポリイミド複合炭素膜を製造する方法をさらに開示する。ポリイミド膜表面に酸化グラフェン水溶液を均等に吹付けた後、複数のポリイミド膜を厚み方向に接着し、乾燥させた後、ポリイミド膜は、酸化グラフェンによって粘着を実現することができる。さらなる相対的低温ホットプレスによって炭化させ、さらに高温高圧ホットプレス処理の方式を経て黒鉛化させることにより、三次元の秩序だって堆積したグラファイト層状構造および比較的完全なグラファイト結晶体を形成し、熱伝導通路が阻害されないことを保証し、高熱伝導のグラフェン／ポリイミド複合炭素膜を得る。その厚みは１００μｍを超え、空孔率が１０〜４０％、熱伝導率が１０００〜１７００Ｗ／ｍＫであり、大きな実際の応用価値を有する。
次に、図面および実施例を合わせ、本発明についてさらに説明する。本実施例は、本発明についてのさらなる説明のみに用いられ、本発明の保護範囲を限定するものではない。当業者が詳細な説明内容に基づいて行った非本質的な変更および調整は、本発明の保護範囲内にある。
＜実施例１＞
（１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度４ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製した。
（２）厚み２５μｍの市販されているポリイミド系炭素膜に対して酸素プラズマ処理を行い、親水性をもたせた。
（３）寸法１０ｃｍ×１０ｃｍのステップ２で処理したポリイミド系炭素膜４枚を複合した。具体的には、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド系炭素膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド系炭素膜を厚み方向に接着する。
（４）接着後のポリイミド系複合炭素膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃とした。
（５）乾燥させたポリイミド系複合炭素膜をホットプレス機のホットプレスキャビティの中に置き、０．１℃／分の速度で２００℃まで昇温した後、
圧力２０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−１００ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを１回繰り返し、
次いで、０．１℃／分の速度で３００℃まで昇温し、０．５時間保温した後、
圧力６０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−１００ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを１回繰り返し、
ホットプレスプロセス終了後に自然冷却させる。
（６）ステップ５でホットプレスしたポリイミド系複合炭素膜を、不活性ガス雰囲気において１℃／分の速度で２４００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、８時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとした。冷却プレス後に、高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得る。
以上のステップを経て、ポリイミド系炭素膜は、まず酸化グラフェンの接着作用によって全体構造を形成し、さらにさらなる低温ホットプレスおよび高温ホットプレスを経て欠陥を修復し、黒鉛化程度を高め、最終的に高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得た。試験の結果、原ポリイミド系炭素膜の厚みは２５μｍ、密度が２．０１ｇ／ｃｍ３、空孔率が８．６％、熱伝導率が１７６３．２Ｗ／ｍＫであり、このとき、ポリイミド系複合炭素膜の厚みは１０６μｍ、密度が１．９８ｇ／ｃｍ３、空孔率が１０％、熱伝導率が１７０２．４Ｗ／ｍＫであった。図１に示すように、このポリイミド系複合炭素膜は成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔は２０ｎｍ未満であった。
＜実施例２＞
（１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度４ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製した。
（２）厚み２５μｍの市販されているポリイミド系炭素膜に対して酸素プラズマ処理を行い、親水性をもたせた。
（３）寸法１０ｃｍ×１０ｃｍのステップ２で処理したポリイミド系炭素膜１０枚を複合した。具体的には、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド系炭素膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド系炭素膜を厚み方向に接着する。
（４）接着後のポリイミド系複合炭素膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃とした。
（５）乾燥させたポリイミド系複合炭素膜をホットプレス機のホットプレスキャビティの中に置き、以下の処理を行った。
（５．１）５℃／分の速度で２００℃まで昇温した後、圧力２０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が１０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを５回繰り返した。
（５．２）次いで、さらに５℃／分の速度で３００℃まで昇温し、０．５時間保温した後、圧力６０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が１０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを５回繰り返した。
ホットプレスプロセス終了後に自然冷却させた。
（６）ステップ５でホットプレスしたポリイミド系複合炭素膜を、不活性ガス雰囲気において２０℃／分の速度で３０００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、０．５時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとした。冷却プレス後に、ポリイミド系複合炭素膜を得た。
以上のステップを経て、このとき、ポリイミド系複合炭素膜の厚みは２６０μｍ、密度が１．８８ｇ／ｃｍ３、空孔率が１４．５％、熱伝導率が１６３２．５Ｗ／ｍＫであり、このポリイミド系複合炭素膜は成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔は２０ｎｍ以上であった。
＜実施例３＞
（１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度１ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製した。
（２）厚み２５μｍの市販されているポリイミド系炭素膜に対して酸素プラズマ処理を行い、親水性をもたせた。
（３）寸法１０ｃｍ×１０ｃｍのステップ２で処理したポリイミド系炭素膜１０枚を複合した。具体的には、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド系炭素膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド系炭素膜を厚み方向に接着する。
（４）接着後のポリイミド系複合炭素膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃とした。
（５）乾燥させたポリイミド系複合炭素膜をホットプレス機のホットプレスキャビティの中に置き、２℃／分の速度で２００℃まで昇温した後、
圧力２０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−５０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを５回繰り返し、
次いで、２℃／分の速度で３００℃まで昇温し、０．５時間保温した後、
圧力６０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−５０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを５回繰り返し、
ホットプレスプロセス終了後に自然冷却させた。
（６）ステップ５でホットプレスしたポリイミド系複合炭素膜を、不活性ガス雰囲気において５℃／分の速度で２８００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、２時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとした。冷却プレス後に、ポリイミド系複合炭素膜を得た。
以上のステップを経て、このとき、ポリイミド系複合炭素膜の厚みは２５８μｍ、密度が１．８５ｇ／ｃｍ３、空孔率が１５．９％、熱伝導率が１６１５．２Ｗ／ｍＫであり、このポリイミド系複合炭素膜は成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔は２０ｎｍ以上であった。
＜実施例４＞
（１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度１０ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製した。
（２）厚み２５μｍの市販されているポリイミド系炭素膜に対して酸素プラズマ処理を行い、親水性をもたせた。
（３）寸法１０ｃｍ×１０ｃｍのステップ２で処理したポリイミド系炭素膜１０枚を複合した。具体的には、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド系炭素膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド系炭素膜を厚み方向に接着する。
（４）接着後のポリイミド系複合炭素膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃とした。
（５）乾燥させたポリイミド系複合炭素膜をホットプレス機のホットプレスキャビティの中に置き、２℃／分の速度で２００℃まで昇温した後、
圧力２０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−５０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを５回繰り返し、
次いで、２℃／分の速度で３００℃まで昇温し、０．５時間保温した後、
圧力６０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−５０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを５回繰り返した。
ホットプレスプロセス終了後に自然冷却させた。
（６）ステップ５でホットプレスしたポリイミド系複合炭素膜を、不活性ガス雰囲気において５℃／分の速度で２８００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、２時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとした。冷却プレス後に、ポリイミド系複合炭素膜を得た。
以上のステップを経て、このとき、ポリイミド系複合炭素膜の厚みは２７１μｍ、密度が１．８４ｇ／ｃｍ３、空孔率が１６．４％、熱伝導率が１５９５．２Ｗ／ｍＫであり、このポリイミド系複合炭素膜は成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔は２０ｎｍ以上であった。
＜実施例５＞
（１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度４ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製した。
（２）厚み３０μｍの市販されているポリイミド系炭素膜に対して酸素プラズマ処理を行い、親水性をもたせた。
（３）寸法５ｃｍ×５ｃｍのステップ２で処理したポリイミド系炭素膜１００枚を複合した。具体的には、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド系炭素膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド系炭素膜を厚み方向に接着する。
（４）接着後のポリイミド系複合炭素膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃とした。
（５）乾燥させたポリイミド系複合炭素膜をホットプレス機のホットプレスキャビティの中に置き、２℃／分の速度で２００℃まで昇温した後、
圧力２０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−５０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを５回繰り返し、
次いで、２℃／分の速度で３００℃まで昇温し、０．５時間保温した後、
圧力６０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−５０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを５回繰り返し、
ホットプレスプロセス終了後に自然冷却させた。
（６）ステップ５でホットプレスしたポリイミド系複合炭素膜を、不活性ガス雰囲気において５℃／分の速度で２８００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、２時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとした。冷却プレス後に、高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得る。
以上のステップを経て、ポリイミド系炭素膜は、まず酸化グラフェンの接着作用によって全体構造を形成し、さらにさらなる低温ホットプレスおよび高温ホットプレスを経て欠陥を修復し、黒鉛化程度を高め、最終的に高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得た。試験の結果、得られたポリイミド系複合炭素膜の厚みは３．１７μｍ、密度が１．５４ｇ／ｃｍ３、空孔率が３０％、熱伝導率が１２４９．５Ｗ／ｍＫであり、このポリイミド系複合炭素膜は成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔は２０ｎｍ未満であった。
＜実施例６＞
（１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度４ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製した。
（２）厚み１００μｍのポリイミド膜４枚を複合した。具体的には、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド膜を厚み方向に接着する。
（３）接着後の酸化グラフェン／ポリイミド複合膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃未満とする。
（５）乾燥させた酸化グラフェン／ポリイミド複合膜をアルゴン雰囲気の炭化炉の中に置き、５℃／分の速度で１０００℃まで徐々に昇温して熱処理し、１００℃ごとに１時間恒温状態とし、プロセス全体で圧力を２０ＭＰａに維持した。
（６）ステップ５でホットプレスしたグラフェン／ポリイミド複合炭素膜を不活性ガス雰囲気において２０℃／分の速度で２８００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、０．５時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとし、高熱伝導の酸化グラフェン／ポリイミド複合炭素膜を得た。
以上のステップを経て、ポリイミド膜は、まず酸化グラフェンの接着作用によって全体構造を形成し、さらにさらなる相対的低温ホットプレス熱処理によって炭化させ、高温ホットプレスを経て欠陥を修復し、黒鉛化程度を高め、最終的に高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得た。試験の結果、原ポリイミド系炭素膜の厚みは３１μｍ、密度が２．０３ｇ／ｃｍ３、空孔率が７．７％、熱伝導率が１７３３．２Ｗ／ｍＫであり、このとき、グラフェン／ポリイミド複合炭素膜の厚みは１２６μｍ、密度が１．９７ｇ／ｃｍ３、空孔率が１０．５％、熱伝導率が１６９７．５Ｗ／ｍＫであり、このポリイミド系複合炭素膜は成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔は２０ｎｍ未満であった。
＜実施例７＞
（１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度４ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製した。
（２）厚み１００μｍのポリイミド膜５０枚を複合した。具体的には、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド膜を厚み方向に接着する。
（３）接着後の酸化グラフェン／ポリイミド複合膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃未満とする。
（５）乾燥させた酸化グラフェン／ポリイミド複合膜をアルゴン雰囲気の炭化炉の中に置き、２℃／分の速度で１０００℃まで徐々に昇温して熱処理し、１００℃ごとに１時間恒温状態とし、プロセス全体で圧力を６０ＭＰａに維持した。
（６）ステップ５でホットプレスしたグラフェン／ポリイミド複合炭素膜を、不活性ガス雰囲気において５℃／分の速度で２５００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、８時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとした。高熱伝導の酸化グラフェン／ポリイミド複合炭素膜を得た。
以上のステップを経て、ポリイミド膜は、まず酸化グラフェンの接着作用によって全体構造を形成し、さらにさらなる相対的低温ホットプレス熱処理によって炭化させ、高温ホットプレスを経て欠陥を修復し、黒鉛化程度を高め、最終的に高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得た。試験の結果、グラフェン／ポリイミド複合炭素膜の厚みは１．７６ｍｍ、密度が１．８２ｇ／ｃｍ３、空孔率が１７．３％、熱伝導率が１３８７．３Ｗ／ｍＫであり、このグラフェン／ポリイミド複合炭素膜は成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔は２０ｎｍ未満であった。
以上のステップを経て、ポリイミド系炭素膜は、まず酸化グラフェンの接着作用によって全体構造を形成し、さらにさらなる低温ホットプレスおよび高温ホットプレスを経て欠陥を修復し、黒鉛化程度を高め、最終的に高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得た。試験の結果、得られたポリイミド系複合炭素膜の厚みは３．１７ｍｍ、密度が１．５４ｇ／ｃｍ３、空孔率が３０％、熱伝導率が１２４９．５Ｗ／ｍＫであり、このポリイミド系複合炭素膜は成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔は２０ｎｍ未満であった。

Claims (6)

  1. 厚みが１００μｍを超え、空孔率が１０〜４０％であり、成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔が２０ｎｍ未満であることを特徴とする高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜。
  2. 請求項１に記載された高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜の製造方法であって、
    （１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度１〜１０ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製するステップと、
    （２）ポリイミド系炭素膜に対して酸素プラズマ処理を行い、親水性をもたせるステップと、
    （３）ステップ２で処理した複数のポリイミド系炭素膜を複合化するステップであって、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド系炭素膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド系炭素膜を厚み方向に接着するステップと、
    （４）接着後のポリイミド系複合炭素膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃以下とするステップと、
    （５）乾燥させたポリイミド系複合炭素膜をホットプレス機のホットプレスキャビティの中に置き、０．１〜５℃／分の速度で２００℃まで昇温した後、
    圧力２０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−１００〜１０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを１〜５回繰り返し、
    次いで、０．１〜５℃／分の速度で３００℃まで昇温し、０．５時間保温した後、
    圧力６０ＭＰａを１時間維持し、圧力を０ＭＰａまで徐々に放出し、ホットプレスキャビティを真空度が−１００〜１０ＫＰａになるまで５分間真空引きするというホットプレスプロセスを１〜５回繰り返し、
    ホットプレスプロセス終了後に自然冷却させるステップと、
    （６）ステップ５でホットプレスしたポリイミド系複合炭素膜を、不活性ガス雰囲気において１〜２０℃／分の速度で２４００〜３０００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、０．５〜８時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとするステップと、冷却プレス後に、高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜を得るステップとを含む高熱伝導のポリイミド系複合炭素膜の製造方法。
  3. 前記ステップ１の酸化グラフェンのＣ／Ｏ比が１．８〜２．１であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 製造されるグラフェン／ポリイミド複合炭素膜の厚みが１００μｍを超え、空孔率が１０〜４０％であり、面方向熱伝導率が１０００〜１７００Ｗ／ｍＫであり、成層現象がなく、任意の２つの隣接するグラファイトシート層の間隔は２０ｎｍ未満であることを特徴とする高熱伝導のグラフェン／ポリイミド複合炭素膜。
  5. （１）平均寸法が５０μｍを超える酸化グラフェンで濃度１〜１０ｍｇ／ｍＬの酸化グラフェン水溶液を調製するステップと、
    （２）複数のポリイミド膜を複合化するステップであって、ステップ１における酸化グラフェン溶液をポリイミド膜表面に均等に塗布した後、複数のポリイミド膜を厚み方向に接着するステップと、
    （３）接着後の酸化グラフェン／ポリイミド複合膜をオーブンに置いて乾燥させ、オーブンの温度を４０℃未満とするステップと、
    （５）乾燥させた酸化グラフェン／ポリイミド複合膜をアルゴン雰囲気の炭化炉の中に置き、０．１〜５℃／分の速度で１０００℃まで徐々に昇温して熱処理し、１００℃ごとに１時間恒温状態とし、プロセス全体で圧力を２０ＭＰａ〜２００ＭＰａに維持するステップと、
    （６）ステップ５でホットプレスしたグラフェン／ポリイミド複合炭素膜を、不活性ガス雰囲気において１〜２０℃／分の速度で２５００〜３０００℃まで昇温し、さらなるホットプレスを行い、０．５〜８時間保温保圧し、圧力を６０ＭＰａとするステップと、
    冷却プレス後に、高熱伝導のグラフェン／ポリイミド複合炭素膜を得るステップとを含むことを特徴とする高熱伝導のグラフェン／ポリイミド複合炭素膜の製造方法。
  6. 前記ステップ１の酸化グラフェンのＣ／Ｏ比が１．８〜２．１である請求項５に記載の方法。
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