JP4431679B2

JP4431679B2 - 複合材およびその製造方法

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Publication number: JP4431679B2
Application number: JP2004005629A
Authority: JP
Inventors: 守信遠藤; 公紀佐藤; 伸明尾添; 仁一小川; 聡小松原; 敏之上野
Original assignee: Shimane Prefecture
Current assignee: Shimane Prefecture
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: JP2005200676A

Description

本発明は、炭素繊維またはカーボンナノチューブを用いた複合材およびその製造方法に関する。

近年、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと称す）やゲーム機等に使用される半導体モジュールは高速化、高集積化されるに従い、その消費電力も大きくなり、それに伴って半導体モジュールそのものの発熱も大きくなっている。このようなＰＣ等の半導体モジュールに対して、一般的に放熱部材として使用されているアルミニウムは、熱伝導率が２３７W／mKであり、高発熱に対応するために、表面積の拡大化、部材の強制空冷化などで対応している。

また最近では、ノート型ＰＣにおいて、熱を温度の低い部分に移送し放熱させることを目的に、熱交換流体を金属チューブに封入し相変化を利用して循環させるいわゆるヒートパイプと呼ばれる製品も採用されている。

しかし、これらの手法では、冷却、放熱能力に限界があり、高コストになることから、より高い熱伝導率をもち、かつ低コストで製造可能な放熱部材の開発が求められている。そこで、例えば、特許文献１には、炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料であって、分散材である炭素繊維が複合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に二次元ランダム状態で配向され、厚み方向に層構造とされている炭素繊維分散アルミニウム基複合材料が示されている。

特開２００１−７３１０２号公報

ところで、この特許文献１に記載の炭素繊維分散アルミニウム基複合材料においては、低熱膨張で高い熱伝導性を有し熱的な衝撃に対しても熱特性が劣化しないという性質を有するものの、炭素繊維が二次元ランダム状態で配向されていることから、その熱の流動方向が一定せず、換言すると、熱流方向の制御が困難であるので、上述したノート型ＰＣ等のように熱の廃棄位置に制限があるものに対しては用いられないものである。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決し、熱流方向の制御が可能で製作が容易な複合材およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態になる複合材は、炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類がその繊維軸方向が整列され、少なくともアルミニウムを含む金属とで構成されていることを特徴とする。

ここで、前記炭素繊維またはカーボンナノチューブは、等間隔もしくは不等間隔に配列されていてもよい。

また、前記炭素繊維またはカーボンナノチューブの太さが等しいもしくは異なるものであってもよい。

上記目的を達成する本発明の他の形態になる複合材は、炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類がその繊維軸方向が整列され、少なくともアルミニウムを含む金属とで構成されると共に、これが複数個、前記繊維軸方向を同方向にして、積層して構成されていることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明のさらに他の形態になる複合材は、炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類がその繊維軸方向が整列され、少なくともアルミニウムを含む金属とで構成されると共に、これが複数個、前記繊維軸方向を交互に異ならせて、積層して構成されていることを特徴とする。

さらに、上記目的を達成する本発明の一形態になる複合材の製造方法は、少なくともアルミニウムを含む金属層の上に炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類をその繊維軸方向を整列して配置し、さらにその上に少なくともアルミニウムを含む金属層をサンドイッチ状に積層し、所定の温度で加熱しつつ、所定の圧力で圧着し一体化する工程を備えることを特徴とする。

ここで、前記所定の温度は約５００〜７００℃であり、前記所定の圧力は約６．２Ｍｐａ／ｃｍ^２であることが好ましい。

一般に、炭素繊維やカーボンナノチューブ（以下「ＣＦ等」という）は繊維軸方向へは熱は伝わり易いが、繊維軸に垂直な方向には伝わりにくいという性質を持つ。本発明の一形態になる複合材によれば、少なくともアルミニウムを含む金属に炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類がその繊維軸方向が整列されて、構成されているので、その部材の発熱部から所望の部分まで熱をすばやく伝える経路が形成されることにより、部材の特定の面への熱伝導率を制御することが可能となる。

ここで、前記炭素繊維またはカーボンナノチューブが、等間隔もしくは不等間隔に配列されている形態や、前記炭素繊維またはカーボンナノチューブの太さが等しいもしくは異なる形態によれば、その熱伝導率を制御することが可能である。

また、本発明の他の形態になる複合材によれば、炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類がその繊維軸方向が整列され、少なくともアルミニウムを含む金属とで構成されると共に、これが複数個、前記繊維軸方向を同方向にして、または、交互に異ならせて、積層して構成されているので、所定の強度を有することができる。

さらに、本発明の一形態になる複合材の製造方法によれば、単純な工程且つ低コストで所望の複合材を得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る複合材の基本構造を概念的に示す複合シート１０の拡大断面図であり、（Ａ）は、繊維軸方向が整列された炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類である「ＣＦ」１１が等しい太さで等間隔ｌ_１に配列され、少なくともアルミニウムを含む金属層としてのアルミニウム層１２でサンドイッチ状に挟持された状態を示している。なお、（Ｂ）は「ＣＦ」１１が等しい太さで異なる間隔ｌ_１、ｌ_２を含む不等間隔に配列された例、（Ｃ）は「ＣＦ」１１が異なる太さΦ_１、Φ_２を含んで等間隔ｌ_３に配列された例、および（Ｄ）は「ＣＦ」１１が異なる太さΦ_１、Φ_２を含んで異なる間隔ｌ_４、ｌ_５を含む不等間隔に配列された例を示している。いずれも所望の熱伝導率、熱膨張率を得るために、ＣＦ等の繊維密度および配列間隔（配列密度）はそれぞれ調整することが可能である。

なお、アルミニウム以外の金属層としては、コストを考慮すると銅（熱伝導率402W/mK）、コストを無視すると銀（熱伝導率422W/mK）が可能である。また、軽量化を考慮するとマグネシウム（熱伝導率156W/mK）が可能である。さらに、ここに用いる炭素繊維とは、微細なグラファイト結晶構造をもつ繊維状の炭素物質で、グラファイト結晶構造とは２次元の板状重合の構造であり、これが何層にも重なったものをいう。また、ここに用いるカーボンナノチューブとは、グラファイトシートが管状になったものをいい、紡績等により所要の太さまで大きくされている。カーボンナノチューブには単層カーボンナノチューブおよび多層カーボンナノチューブがあることが知られている。両者は、結晶構造上はお互いに大きな違いはないが、その直径はナノチューブが１ナノメートル程度なのに対し、炭素繊維は数マイクロメートルである。なお、長さ２０ｃｍ、直径０．３ｍｍのカーボンナノチューブの製造については、ＣＶＤ法による成長法が報告されている（Zhu et al.、 Science 296(2002)、884）。

次に、上述の基本構造を有する複合シート１０を積層して形成するブロック状の複合材の作成手順を、図２を参照して説明する。
まず、図２（Ａ）は、上述の複合シート１０を作成する上述の工程を示し、アルミニウム層１２の上にＣＦ等１１をその繊維軸方向を整列して配置し、さらにその上にアルミニウム層１２をサンドイッチ状に積層し、所定の温度で加熱しつつ、所定の圧力を加える。そして、それぞれを接合させて一体化することにより複合シート１０を作成する。なお、ＣＦ等１１の材料としてＣＦ等のプリプレグ（炭素繊維、ガラス繊維の織物もしくは一方向に引き揃えた繊維に各種樹脂や金属を含浸したシート状のもの）を利用し、所望の太さに調整したものを用いてもよい。

次に、この複合シート１０を複数個、積層し（図２（Ｂ）参照）、さらに加圧および加熱することにより、ブロック状の複合材を作成する（図２（Ｃ）参照）。より詳しくは、図６に示すように、真空容器２００に内臓された加圧機２０５を用いて作成する。この加圧機２０５はステンレス製の筒状容器２１０とこの筒状容器２１０に設けられた加圧ダイ２２０と同じく加圧ピストン２３０とを有している。そして、この加圧ダイ２２０と加圧ピストン２３０との間に上述の複合シート１０を所要の複数個数、積層して置き、真空容器２００内を真空引きしつつ不活性ガスを導入する。さらに、真空容器２００内を所定の温度（例えば、約７００℃）に加熱すると共に、加圧ダイ２２０と加圧ピストン２３０とにより所定の圧力（例えば、６．２Ｍpa／ｃｍ^２）で所定の保持時間（例えば、１時間程度）加圧する。この後、加圧機２０５ないしは真空容器２００から取り出し、図２（Ｃ）に示されるブロック状の複合材を得る。このブロック状の複合材の繊維方向に直交する両端面は不定形であるので、両端を繊維方向に対し直角に切断し、複合材２０とする（図２（Ｄ）参照）。

このようにして作成された複合材２０は、ＣＦ等１１の繊維軸方向が全て同一方向に整列して配置されているので、例えば、熱源が左端にある場合、熱は右端の方へ伝わりやすく、それ以外の面（上・下・前・後のそれぞれの面）には伝わりにくくなる。そこで、右端を十分に冷却すれば、それ以外の面での放熱量が少なくなる。従って、この複合材２０は、熱源から遠く離れた廃熱部へ向かう熱流方向の制御が容易である。

なお、図１に示す複合シート１０を製造する方法として、積層法によるものについて上に説明したが、溶湯含浸法や粉末焼結法などの他の方法によって製造してもよいこともちろんである。

また、ＣＦ等１１の繊維軸方向が全て同一方向に整列して配置されている複合材２０を基本として、用途に応じて所望の熱伝導率、熱膨張率を得るために、種々の形態の複合材を得ることができる。例えば、図２（Ｅ）に示すように、複合材２０をＣＦ等１１に対して、平行な方向にスライスしたもの２０Ｈ、および図２（Ｆ）に示すように、ＣＦ等１１に対して、垂直な方向にスライスしたもの２０Ｖを用意し、これらを交互に重ね合わせて加圧および加熱することにより複合材３０を作成するのである。同様に、図２（Ｅ）に示すように、複合材２０をＣＦ等１１に対して、平行な方向にスライスしたもの２０Ｈを、そのＣＦ等１１の繊維軸方向を交互に異ならせて重ね合わせ加圧および加熱することにより複合材４０を作成することもできる。

ここで、上述の各複合材２０、３０および４０における熱の流れ特性を図３を参照して説明する。図３において、矢印は熱の流れる方向およびその大きさは熱の流れ易さを示している。図３（Ａ）に示された複合材２０は、その底面に熱源が存するとき、左右方向によく熱を伝える複合材となり、図３（Ｂ）に示された複合材３０は、その底面に熱源が存するとき、上、前後および左右方向によく熱を伝える複合材となり、さらに、図３（Ｃ）に示された複合材４０は、その底面に熱源が存するとき、前後および左右方向によく熱を伝える複合材となることが分かる。換言すると、炭素繊維を一方向に配列した複合材２０が繊維方向のみ熱伝導率を高めることが可能なのに対し、複合材３０は材料のどの面でも熱伝導率を高めることが可能となる。また、繊維の密度を調整することにより、特定の面（一方向、２次元平面、３次元方向）への熱伝導率を制御することが可能である。

次に、かかる複合材をノート型ＰＣに用いた例を図４に示す。図４において、１００は半導体１１０等が配置されたマザーボード、１２０は半導体１１０等が出す熱を効率よく放出するためにその上面に接触させて使用される金属板製のヒートスプレッダ、１３０はヒートシンクおよび１４０は冷却ファンである。そこで、本実施の形態では、両ヒートスプレッダ１２０同士に端部を接触させて複合材２０が架橋状態に設けられていると共に、ヒートスプレッダ１２０とヒートシンク１３０との間にも互いに端部が接触されて複合材２０が架橋状態に設けられている。

この両ヒートスプレッダ１２０同士およびヒートスプレッダ１２０とヒートシンク１３０との間に架橋状態に設けられた複合材２０は、互いに接触している部材同士間では熱が伝わりやすいが、それ以外の面（上・下・前・後のそれぞれの面）には伝わりにくい。そこで、ヒートシンク１３０を十分に冷却すれば、熱は半導体１１０等の発熱部から複合材２０を通ってヒートシンク１３０に導かれるが、それ以外の面での放熱量は少ない。従って、半導体１１０等の発熱部からのキーボード部分に対する放射熱によるその過熱を生じさせることなく、通常、背面部に配置されるヒートシンク１３０に熱を効率よく流すことができる。

また、ヒートシンク１３０については、図５に示すように、アルミニウム製の基盤１３１に対し、放熱フィンとしての複合材２０が複数個、所定の間隔をあけて並列に設けられている。一般に従来のヒートシンクは、アルミニウムや鋼などの高熱伝導素材で構成されており、放熱面積を稼ぐために多数の放熱フィンを備えている。そして、増大した面積を効率よく活かして放熱効率を高めるには、放熱フィンにある程度の厚みを持たせて熱源から離れた表面まで熱を輸送する必要がある。しかし、従来の上記金属材料からなる放熱フィンを薄くすることによる、表面積を増大化させる方法には強度上限界があるが、本実施の形態による複合材２０の放熱フィンでは、熱伝導率が高く、軽量化、薄膜化が可能であるので、基盤１３１から離れた表面まで熱を効率よく輸送でき、放熱効率の高いヒートシンクとすることができる。

また、用途に応じて所望の熱伝導率、熱膨張率を得るために形成された複合材２０、３０、４０においては、上述のヒートスプレッダ１２０やヒートシンク１３０との熱膨張率に合わせて用いることが可能である。例えば、接触面で加熱−冷却が繰り返されたと仮定した場合、熱膨張率の違いから熱疲労により接合面でクラックが生じることが考えられるが、ＣＦ等の熱膨張率はほぼ０であり、ＣＦ等をヒートシンク１３０の骨格として用いると熱膨張率が調整可能となる。そこで、複合材２０、３０、４０の熱膨張率をその接合相手部材の熱膨張率と同じ熱膨張率に調整して作成した場合には、先ほどの熱疲労によるクラックが生ずることがない。なお、異方向に積層して形成された場合には、熱はどの面にも均等に伝わるが、熱の伝わり易さは現存の素材よりさらに良いので、放熱部材として用いた場合、その軽量化、薄膜化が十分に生かせることになる。また、ＣＦ等は熱膨張率が小さいため、複合化した際、金属単体と比較して熱膨張を抑制することができる。これにより、半導体と放熱部材との界面での熱疲労を抑えることができ、双方の長寿命化が期待できる。

少なくともアルミニウムを含む金属層として厚さ１５μｍの（キッチン用）アルミホイルと、直径１０μｍの炭素繊維を用いた。これらの熱伝導率はアルミニウムが２３７W／mK、炭素繊維が５００W／mKである。そして、この炭素繊維を上記の作成方法により繊維軸方向が全て同一方向に整列するように配置して、アルミホイルによりサンドイッチ状に挟み込み、不活性雰囲気中にて加圧しながら５００℃程度に加熱してアルミホイルを接合させ、複合シートを得た。

なお、この分量は、炭素繊維が数〜８０vol％程度が可能であり、このときの熱伝導率は複合材において、（部材の熱伝導率）＝（アルミの含有比率）×２３７＋（炭素繊維の含有比率）×５００で求められるので、例えば、アルミ：炭素繊維＝５０％：５０％とした場合、上記の式により０．５×２３７＋０．５×５００＝３６８．５W／mKとなり、アルミ単体と比較して熱伝導率が相当高くなる。

次に、上で作成した複合シートを適当な大きさに切断した後、複数個、積層し、上記と同様に窒素雰囲気等の不活性雰囲気中にて、約７００℃に加熱すると共に、加圧機により６．２Ｍpa／ｃｍ^２の圧力で１時間程度加圧した。そして、縦×横×厚さ＝２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍの、図２（Ｃ）等に示す形態のブロック状の複合材を得ることができた。

本発明に係る複合材の基本構造を概念的に示す複合シートの拡大断面図であり、（Ａ）は、繊維軸方向が整列された「ＣＦ」が等しい太さで等間隔に配列され、アルミニウム層でサンドイッチ状に挟持された例、（Ｂ）は「ＣＦ」が等しい太さで異なる間隔を含む不等間隔に配列された例、（Ｃ）は「ＣＦ」が異なる太さを含んで等間隔に配列された例、および（Ｄ）は「ＣＦ」が異なる太さを含んで異なる間隔を含む不等間隔に配列された例を示している。基本構造を有する複合シートを積層して形成するブロック状の複合材の作成手順を示す工程図である。各複合材２０、３０および４０における熱の流れ特性を示す斜視図であり、（Ａ）は、その底面に熱源が存するとき、左右方向によく熱を伝える複合材２０、（Ｂ）は、その底面に熱源が存するとき、上、前後および左右方向によく熱を伝える複合材３０、さらに、（Ｃ）は、その底面に熱源が存するとき、前後および左右方向によく熱を伝える複合材４０を示す。本発明に係る複合材をノート型ＰＣに用いた実施の形態を示す分解斜視図である。本発明に係る複合材を放熱フィンとして用いたヒートシンクの一例を示す斜視図である。本発明に係る複合材を作成するのに用いる装置の一例を示す断面概略図である。

符号の説明

１０複合シート
１１「ＣＦ」
１２アルミニウム層
２０，３０、４０複合材

Claims

炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類をその繊維軸方向を整列して配置し、少なくともアルミニウムを含む金属層をサンドイッチ状に積層して複合シートを作成し、
前記複合シートを、繊維軸方向が全て同一方向になるように整列して複数個、積層してブロック状の複合材を作成し、
前記ブロック状の複合材を前記繊維軸方向に対して平行な方向にスライスしたものと、
前記ブロック状の複合材を前記繊維軸方向に対して垂直な方向にスライスしたものとを、
交互に、繊維軸方向が前後方向、上下方向、左右方向に異ならせて積層して構成されている複合材。
前記炭素繊維またはカーボンナノチューブは、等間隔に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の複合材。
前記炭素繊維またはカーボンナノチューブは、不等間隔に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の複合材。
前記炭素繊維またはカーボンナノチューブの太さが等しいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の複合材。
前記炭素繊維またはカーボンナノチューブの太さが異なることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の複合材。
少なくともアルミニウムを含む金属層の上に、炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類をその繊維軸方向を整列して配置し、
さらにその上に少なくともアルミニウムを含む金属層をサンドイッチ状に積層し、所定の温度で加熱しつつ、所定の圧力で圧着し一体化して複合シートを作成し、
前記複合シートを、繊維軸方向が全て同一方向になるように整列して複数個、積層し、加圧および加熱することにより、ブロック状の複合材を作成し、
前記ブロック状の複合材を前記繊維軸方向に対して平行な方向にスライスしたものと、
前記ブロック状の複合材を前記繊維軸方向に対して垂直な方向にスライスしたものとを、
交互に、繊維軸方向が前後方向、上下方向、左右方向に異ならせて積層し、加圧および加熱する工程を備えることを特徴とする複合材の製造方法。
前記所定の温度は５００〜７００℃であり、前記所定の圧力は６．２Ｍｐａ／ｃｍ^２で
あることを特徴とする請求項６に記載の複合材の製造方法。