JP4597279B2

JP4597279B2 - 熱良導複合材料

Info

Publication number: JP4597279B2
Application number: JP21784898A
Authority: JP
Inventors: 敏和竹田; 浩巳木村; 弘治大石橋; 俊進奥田; 晋正竹下
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2018-07-31
Also published as: JP2000043186A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、より小型軽量の放熱デバイス設計に適した熱良導複合材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と課題】
熱エネルギーを空気中や液体中に効率よく放熱するために放熱デバイスが使用されている。
【０００３】
従来より放熱デバイスとしては、アルミ合金が最も普及している。これは金属中では銀、銅につぐ高い熱伝導性および熱拡散性、放熱性、並びにデバイスとしての加工性、材料コストなどの総合的な観点から採用されている。
【０００４】
ところで、放熱デバイス設計において、より小型化および軽量化を図るためには、従来より熱伝導性および熱拡散性に優れた材料が必要である。従来より高い熱伝導性を有する材料として炭素繊維および黒鉛がある。例えば、引張り弾性率が９０〜９５ｔ／ｍｍ²のピッチ系炭素繊維は、９００〜１２００Ｗ／ｍ・ｋの熱伝導率があり、銅やアルミ合金の２．５〜４倍であることからより小型の放熱デバイス設計が可能である。
【０００５】
そこで、近年、炭素繊維の熱伝導性が金属の数倍ということに注目して、エポキシ樹脂をマトリクスとして炭素繊維で繊維強化した複合材、更にはシアネート系樹脂をマトリクスとして炭素繊維で繊維強化した複合材による宇宙用光学機器など、新しい放熱デバイスの方向性が模索されている。しかし、マトリクスに樹脂を使用していることから、炭素繊維の高い熱伝導性がほとんど無駄になっているのが実状である。
【０００６】
また、一方には黒鉛をマトリクスとして炭素繊維で繊維補強したＣ／Ｃコンポジット（カーボン・カーボン複合材）による放熱デバイスの方向性がある。しかし、マトリクスに黒鉛を使用することから、炭素繊維の高い熱伝導性を効率よく応用できる特長があるが、実際にはボイドが多く発生して理論値より低い熱伝導率であったり、製造コストが異常に高過ぎるなどの問題点があり、核融合炉の第１壁などに一部使われている程度である。
【０００７】
しかも、炭素繊維および黒鉛は、銅および銅合金やアルミおよびアルミ合金より優れた熱伝導性を有しているものの、熱拡散性、放熱性の点では銅やアルミ合金より劣っており、より小型軽量の放熱デバイス設計を行うには不利である。
【０００８】
従って、本発明は、高い熱伝導性および熱拡散性、放熱性、並びにデバイスとしての加工性、材料コストなどに優れ、より小型軽量の放熱デバイス設計を実現できるようにした熱良導複合材料を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、銅および銅合金箔またはアルミおよびアルミ合金箔からなり、所定間隙をあけて対向配置した一対の拡散シートと、この一対の拡散シート間に挟み込まれた中間基材とを備え、この中間基材が、前記拡散シートの幅方向の一方向に多数列に並列させ乍ら繊維方向を揃えて複数層に積層させた炭素繊維と、この炭素繊維の間に充填された銀−銅系のろう材からなるマトリクスとで形成され、前記炭素繊維の表面にニッケルをメッキ乃至蒸着し、このニッケルを前記炭素繊維及び前記マトリクスの双方に接触させたことを特徴とする熱良導複合材料を提供する。
【００１０】
また、本発明は、銅および銅合金箔またはアルミおよびアルミ合金箔からなる一対の拡散シートを所定間隙をあけて対向配置し、この一対の拡散シート間に銀―銅系のろう材をマトリクスとしてダイヤモンドパウダーまたは粉末窒化硼素で形成した中間基材を挟み込むことを特徴とする熱良導複合材料を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施の形態による熱良導複合材料Ａを示す。この熱良導複合材料Ａは、所定間隙をあけて対向配置された熱拡散性、放熱性に優れた金属材料、例えば銅および銅合金箔またはアルミおよびアルミ合金箔からなる一対の拡散シート１，１と、この一対の拡散シート１，１間に挟み込まれた熱拡散性、放熱性に優れた金属材料、例えば銀―銅系のろう材をマトリクス２として高い熱伝導性を有する材料、例えば炭素繊維または黒鉛からなる熱良導体３を組み合せて形成した中間基材４とで構成されている。
【００１３】
熱良導複合材料Ａは、熱良導体３である拡散シート１の幅方向に多数列に並列させ乍ら複数層に積層させた炭素繊維の間隙にマトリクス２である銀―銅系のろう材粉末を充填して、または、熱良導体３である黒鉛をマトリクス２である銀―銅系のろう材粉末の中に分散して中間基材４の予備成形体を作り、その両面を拡散シート１，１である銅および銅合金箔またはアルミおよびアルミ合金箔で覆い、これを真空中または不活性ガス中でろう材の溶融温度まで加熱後、冷却することで、ろう材を溶融・凝固させて形成させたものである。但し、銀−銅系のろう材と炭素繊維または黒鉛との界面では反応性が極めて乏しいため、銀−銅系のろう材と炭素繊維または黒鉛とが接合して一体化することが難しく、従って理論値より熱伝導率が低くなってしまう。これへの対策として炭素繊維および黒鉛の表面にこれと反応性のある金属をメッキ乃至蒸着することで、炭素繊維および黒鉛と銀−銅系のろう材との界面反応性が良好になり、銀−銅系のろう材と炭素繊維または黒鉛とが融合して高い熱伝導性を実現することができる。尚、炭素繊維および黒鉛と反応性のある金属としては、コストおよび加工性の面を考慮してニッケルを用いるのが望ましい。
【００１４】
熱良導複合材料Ａによれば、熱拡散性、放熱性に優れた銀―銅系のろう材をマトリクス２として高い熱導電性を有する炭素繊維または黒鉛からなる熱良導体３を組み合せて形成した中間基材４の両面に、熱拡散性、放熱性に優れた銅箔またはアルミ箔からなる拡散シート１，１を配置していることで、熱エネルギーが中間基材４で効率よく熱伝導されるとともに、拡散シート１，１で効率よく熱拡散、放熱される結果、中間基材２の高い熱伝導性を拡散シート１，１で効率よく引き出すことができ、高効率な熱伝導性および熱拡散性、放熱性が得られ、より小型軽量の放熱デバイス設計を実現することが可能となる。
【００１５】
図２は、本発明の第２の実施の形態による熱良導複合材料Ｂを示す。この熱良導複合材料Ｂは、所定間隙をあけて対向配置された熱拡散性、放熱性に優れた金属材料、例えば銅および銅合金箔またはアルミおよびアルミ合金箔からなる一対の拡散シート５，５と、この一対の拡散シート５，５間に挟み込まれた熱拡散性、放熱性に優れた金属材料、例えば銀―銅系のろう材をマトリクス６として炭素繊維または黒鉛よりさらに高い熱伝導性を有する材料、例えばダイヤモンドまたは窒化硼素からなる熱良導体７を組み合せて形成した中間基材８とで構成されている。
【００１６】
熱良導複合材料Ｂは、熱良導体７であるダイヤモンドおよび窒化硼素は繊維形状にすることが困難なことから粉末形状にし、このダイヤモンドパウダーまたは粉末窒化硼素とマトリクス６である銀―銅系のろう材粉末とを混合して中間基材８の予備成形体を作り、この予備成形体を拡散シート５，５である銅および銅合金箔またはアルミおよびアルミ合金箔の間に挟み込み、これを真空中または不活性ガス中でろう材の溶融温度まで加熱後、冷却することで、ろう材を溶融・凝固させて形成させたものである。但し、ダイヤモンドや窒化硼素の熱伝導および熱拡散にはパーコレーション現象を応用するため、効率よく熱伝導させるためにはダイヤモンドや窒化硼素の添加量および混合方法を適正に制御することが必要となる。また、銀―銅系のろう材に少量のチタンを添加することにより、ダイヤモンドや窒化硼素に対して良好な濡れ性および接合強度が確保できる。
【００１７】
熱良導混合材料Ｂによれば、熱良導体７に炭素繊維および黒鉛よりさらに高い熱伝導性および熱拡散性を有するダイヤモンドまたは窒化硼素を使用したことで、第１の実施の形態の熱良導複合材料Ａよりもさらに高効率な熱伝導性および熱拡散性、放熱性が得られ、第１の実施の形態の熱良導複合材料Ａよりもさらにより小型軽量の放熱デバイス設計を実現することが可能となる。
【００１８】
以上、本発明の第１および第２の実施の形態について説明したが、この第１および第２の実施の形態はあくまでも本発明の好適な具体例について説明しているにすぎす、本発明はこのような第１および第２の実施の形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、第１および第２の実施の形態では中間基材を一対の拡散シートで挟み込んだ３層構造であるが、本発明は上中下の３枚の拡散シート間に中間基材およびマトリクスを挟み込んだ５層構造等の３層構造以上でも可能である。
【００１９】
【発明の効果】
このように本発明によれば、熱拡散性、放熱性に優れた銅および銅合金箔またはアルミおよびアルミ合金箔からなる拡散シート間に、熱拡散性、放熱性に優れた銀―銅系のろう材をマトリクスとして高い熱導電性を有する炭素繊維または黒鉛、或いは、ダイヤモンドパウダーまたは粉末窒化硼素を組み合せて形成した中間基材を挟み込んでいることで、中間基材の高い熱伝導性を拡散シートで効率よく引き出すことができるため、高効率な熱伝導性および熱拡散性、放熱性が得られ、より小型軽量の放熱デバイス設計が可能となり、放熱デバイスに用いて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の熱良導複合材料の一部拡大断面図である。
【図２】第２の実施の形態の熱良導複合材料の一部拡大断面図である。
【符号の説明】
Ａ熱良導複合材料
１拡散シート
２マトリクス
３熱良導体
４中間基材
Ｂ熱良導複合材料
５拡散シート
６マトリクス
７熱良導体
８中間基材

Claims

銅および銅合金箔またはアルミおよびアルミ合金箔からなり、所定間隙をあけて対向配置した一対の拡散シートと、この一対の拡散シート間に挟み込まれた中間基材とを備え、この中間基材が、前記拡散シートの幅方向の一方向に多数列に並列させ乍ら繊維方向を揃えて複数層に積層させた炭素繊維と、この炭素繊維の間に充填された銀−銅系のろう材からなるマトリクスとで形成され、前記炭素繊維の表面にニッケルをメッキ乃至蒸着し、このニッケルを前記炭素繊維及び前記マトリクスの双方に接触させたことを特徴とする熱良導複合材料。
銅および銅合金箔またはアルミおよびアルミ合金箔からなる一対の拡散シートを所定間隙をあけて対向配置し、この一対の拡散シート間に銀−銅系のろう材をマトリクスとしてダイヤモンドパウダーまたは粉末窒化硼素で形成した中間基材を挟み込むことを特徴とする熱良導複合材料。
マトリクスである前記銀−銅系のろう材にチタンを添加したことを特徴とする請求項２記載の熱良導混合材料。