JP5363418B2

JP5363418B2 - 高熱伝導性複合材料の製造方法

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Publication number: JP5363418B2
Application number: JP2010113602A
Authority: JP
Inventors: 啓太新井; 敦史加藤; 雅資菅沼
Original assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Current assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2030-05-17
Also published as: JP2011241432A

Description

本発明は、ヒートシンクに好適な高熱伝導性複合材料の製造技術に関する。

半導体基板にヒートシンクが付設される。このヒートシンクは、文字通り、放熱部品であるため、高い熱伝導率が求められる。
金属より炭素の熱伝導率が高いため、ヒートシンクとして、金属材料と炭素繊維との複合成形品が推奨され、それの製造技術は各種提案されている（例えば、特許文献１（請求項１０、請求項１３）参照。）。

特許文献１の請求項１０に「請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の高熱伝導性放射材料の製造方法であって、複数のカーボンナノチューブと、炭化物形成用金属と、マトリックス用金属とを、カーボンナノチューブの含有量が１４体積％以上として混合し、上記混合材を一軸プレス成形により多孔体を形成し、真空下、圧力無負荷又は加圧下で、上記多孔体の空孔中に、溶融された炭化物形成用金属とマトリックス用金属とを溶浸させることを特徴とする高熱伝導性放射材料の製造方法。」の記載がある。

すなわち、特許文献１の技術は、一軸プレス成形による多孔体の予備成形工程と、多孔体の空孔へ溶融金属を溶浸させる溶浸工程と、の２工程からなる。

溶融金属を溶浸させるために、多孔体が必須となる。しかし、空孔率（気孔率）を安定化させるには、高度な成形技術が必要となり、必然的に多孔体の製造コストが嵩む。

また、特許文献１の請求項１３に「上記一軸プレス成形は１００ＭＰａ以上の圧力で行われる・・・以下略」の記載がある。本発明者らの研究によれば、１００ＭＰａ以上でプレスを行うと、カーボンナノチューブが切れることが判明した。カーボンナノチューブが短くなると、伝熱性能が低下し、所望の熱伝導率が得られなくなる。これは、カーボンナノチューブとマトリックス用金属との馴染みが不十分な段階で、単体状態のカーボンナノチューブに外力が加わるからであると推定される。加えて、カーボンナノチューブは外径がナノサイズであるため、微小な外力で切断されるとも推定される。

そこで、中間生成物としての多孔体が不要であって、且つ高熱伝導性能が良好に維持される高熱伝導性複合材料の製造が技術が望まれる。

特許第４３０４９２１号公報

本発明は、多孔体が不要であって、且つ高熱伝導性能が良好に維持される高熱伝導性複合材料を製造することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、高熱伝導性複合材料の製造方法であって、
マトリックス金属粉末に、カーボンファイバを添加して混合する工程と、
得られた混合材料を、真空、不活性ガス若しくは非酸化性ガス雰囲気中にて所定の加圧力で圧縮した状態で前記マトリックス金属の融点未満の焼結温度まで昇温し、この焼結温度に保ち焼結処理を行い一次成形体を得る工程と、
この一次成形体を前記マトリックス金属の融点に加熱して前記マトリックス金属の全てが溶融した形態の溶湯を得る工程と、
この溶湯を高圧鋳造金型へ移し、加圧することで二次成形体を得る工程と、
この二次成形体を押出成形することで高熱伝導性複合材料を得る工程と、からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、一次成形体を得る工程では、１０〜４５ＭＰａで加圧しながら行うことを特徴とする。

請求項３に係る発明では、高熱伝導性複合材料を得る工程での押出成形は、マトリック金属の再結晶温度以上で融点以下の条件で実施することを特徴とする。

請求項４に係る発明では、高熱伝導性複合材料の組成は、３０質量％を上限とするカーボンファイバと、残部のマトリックス金属とからなることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、マトリックス金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金の何れかであることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、高熱伝導性複合材料は、ヒートシンク又はヒートシンク用素材であることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、混合材料を、非酸化性ガス雰囲気中にて所定の加圧力で圧縮した状態で焼結温度まで昇温し、この焼結温度に保ち焼結処理を行い一次成形体を得る。マトリクス金属粉末同士が拡散接合作用により、互いに繋がり、カーボンファイバは移動が制限され、凝集が抑制され、分散状態が維持される。
そして、請求項１に係る発明では、多孔体を生成させる必要はない。
また、一次成形体は、マトリックス金属の焼結品であり、この焼結品では拡散接合したマトリックス金属粉の間にカーボンファイバが挟まれている。一次成形体に外力が加わっても、マトリックス金属が保護作用を発揮するため、カーボンファイバが切れることはない。
さらには、カーボンナノチューブに比較してカーボンファイバは、外径が１０〜１０００倍であるため、この点からも本発明のカーボンファイバは切れにくくなる。

健全なカーボンファイバを含む一次成形体は、次に溶解され鋳造されるが、一次成形体でカーボンファイバの分散性が確保されていれば、カーボンファイバはネットワーク（構造体）を構成するため、凝集が起こる心配はない。
続いて、押出されると、カーボンファイバが押出方向に延びるように、整列される。ただし、固相のマトリックスで囲まれているカーボンファイバが凝集する心配はない。

以上により、多孔体が不要であって、且つ高熱伝導性能が良好に維持される高熱伝導性複合材料が提供される。

請求項２に係る発明では、一次成形体を得る工程では、１０〜４５ＭＰａで加圧しながら行う。従来の技術では１００ＭＰａ以上であったが、本発明では、半分以下の圧力で十分である。加圧力が小さいため、カーボンファイバの切断をより確実に防ぐことができる。

請求項３に係る発明では、高熱伝導性複合材料を得る工程での押出成形は、マトリック金属の再結晶温度以上で融点以下の条件で実施する。マトリック金属が柔かくなるため、カーボンファイバの整列をより促すことができる。

請求項４に係る発明では、高熱伝導性複合材料の組成は、３０質量％を上限とするカーボンファイバと、残部のマトリックス金属とからなる。カーボンファイバの含有率を上げると、流動性が悪くなり、押出工程が円滑に実施できなくなる。そこで、カーボンファイバの含有率の上限を３０質量％に留めることにした。

請求項５に係る発明では、マトリックス金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金の何れかである。本発明では、非酸化雰囲気下で一次成形体を製造する。そのため、強酸化物質であるアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金を、マトリックス金属とすることができる。
アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金は軽く、熱伝導性に優れているため、ヒートシンクに好適である。

請求項６に係る発明では、高熱伝導性複合材料は、ヒートシンク又はヒートシンク用素材である。ヒートシンク用素材に加工を施すことで、ヒートシンクが得られる。
本発明によれば、健全なカーボンファイバが整列しているヒートシンクが提供される。すなわち、カーボンファイバの伝熱作用が十分に発揮され得る高熱伝導性ヒートシンクが提供される。

本発明に係る混合工程から一次成形体を得る工程までを説明する図である。溶湯を得る工程から二次成形体を得る工程までを説明する図である。押出工程を説明する図である。純アルミニウムとカーボンファイバとの複合材における、カーボンファイバ含有率と熱伝導率との相関図である。マグネシウム合金とカーボンファイバとの複合材における、カーボンファイバ含有率と熱伝導率との相関図である。焼結工程における加圧力と熱伝導率の相関図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、撹拌容器１１に、エタノール１２を満たす。撹拌羽根１３で撹拌し且つエタノール１２を超音波振動させながら、エタノール１２へマトリクス金属粉末１４とカーボンファイバ１５とを投入する。

カーボンファイバ１５は、ファイバ径が０．１５〜２０μｍ、ファイバ長さが１０〜５００μｍ、アスペクト比が５〜５００の炭素繊維である。

一方、炭素繊維に類似した材料としてカーボンナノ材料がある。
このカーボンナノ材は、繊維径が１．０ｎｍ（ナノメートル）〜１５０ｎｍ、すなわち、０．００１〜０．１５μｍであり、サイズ的にカーボンファイバ１５と異なる。
そこで、本発明では、カーボンファイバ１５に、カーボンナノ材料を含めないことにする。

所定時間振動撹拌を実施したら、乾燥法によりエタノール１２を除去する。これで、（ｂ）に示すような混合材料１６が得られる。
次に、（ｃ）に示すホットプレス型焼結炉２０で混合材料１６を焼結処理する。
ホットプレス型焼結炉２０は、耐圧炉体２１と、この耐圧炉体２１の底を貫通している下パンチ２２と、耐圧炉体２１の天井を貫通している上パンチ２３と、上下パンチ２２、２３間に配置されるダイ２４と、耐圧炉体２１の内部を加熱するヒータ２５と、耐圧炉体２１の内部雰囲気ガスを排出する真空ポンプ２６と、耐圧炉体２１内へ不活性ガスの一種であるアルゴンガスを吹き込むアルゴンガス容器２７とからなる。

混合材料１６をダイ２４に詰め、下パンチ２２と上パンチ２３とで１０〜４５ＭＰａの加圧力で圧縮する。耐圧炉体２１内を真空引きした後アルゴンガスで満たす。そして、ヒータ２５でマトリクス金属粉末１４の焼結温度まで加熱する。
すると、マトリクス金属粉末１４同士が拡散接合作用により、互いに繋がる。この結果、カーボンファイバ１５は移動が制限され、凝集が抑制され、分散状態が維持される。

一般に、アルミニウム粉末やマグネシウム粉末は、酸素に接触すると激しく酸化される。一方、本例のように焼結を施すと、酸素に触れる面積が極度に小さくなるため、酸化の影響が軽減される。（ｄ）に示す一次成形体２９は、ホットプレス型焼結炉２０から大気中に取り出すことができる。

次に、図２（ａ）に示すように、底にシッター３１が付いている鍋３２に一次成形体２９を入れた形態で、加熱炉３３に一次成形体２９を入れ、マトリックス金属の融点以上に加熱する。加熱により、固相のマトリックス金属が液相のマトリックス金属になる。カーボンファイバの融点は、マトリックス金属の融点より格段に高いため、カーボンファイバは固体のままである。

溶湯３４が得られたら、（ｂ）に示すように、下型３５へ溶湯３４を投下する。（ｃ）に示すようにパンチを兼ねた上型３６で溶湯３４を加圧する。これで、（ｄ）に示す二次成形体３８が得られる。

次に、図３（ａ）に示すように、コンテナ４１に二次成形体３８を入れる。コンテナ４１はマトリックス金属の再結晶温度以上で融点以下の温度に暖めておく。（ｂ）に示すようにプランジャ４２で二次成形体３８を圧縮する。すると、二次成形体３８はコンテナ４１に設けられているノズル４３から押し出される。結果、（ｃ）に示すような高熱伝導性複合材料４５が得られる。この高熱伝導性複合材料４５では、カーボンファイバ１５が押出し方向に延びるようにして配列される。カーボンファイバ１５が熱の移動を促すため、高熱伝導性複合材料４５は文字通り、高熱伝導性を有する押出品である。

ノズル４３の断面形状が丸であれば丸棒が得られ、断面形状が矩形であれば、長方形の板が得られる。ノズル４３の形状を変更することで、複雑な断面の長尺材が得られる。
高熱伝導性複合材料４５は、高熱伝導性能を有するため、ヒートシンクに好適である。

高熱伝導性複合材料４５は、高熱伝導性能を確認するために、実験を行った。この実験の内容及び結果を以下に説明する。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。

○準備：
マトリックス金属粉末：純アルミニウム粉末、マグネシウム合金粉末（ＪＩＳＭＤ１Ｄ）
カーボンファイバ：繊維径８μｍ、繊維長さ２００μｍ

○混合工程：
５〜３０質量％のカーボンファイバと残部の純アルミニウム粉末とをエタノール溶液内で撹拌及び超音波振動を付与して混合する。カーボンファイバの含有率は後述する表１、表２に示す。

○焼結工程：
加熱温度５００℃、加圧力２５ＭＰａ、アルゴンガス雰囲気の条件で、直径６０ｍｍの一次成形体（焼結品）を得る。
・熱伝導率の測定：一部の試料については、この段階の試料（一次成形体）で熱伝導率を測定する。

○高圧鋳造工程：
一次成形体を加熱温度７００℃で溶解する。溶湯を金型で加圧力２００ＭＰａに加圧し、二次成形体（鋳造品）を得る。
・熱伝導率の測定：一部の試料については、この段階の試料（二次成形体）で熱伝導率を測定する。

○押出工程：二次成形体を、再結晶温度未満の３００℃、又は再結晶温度以上で且つ融点以下の４００℃に加熱し、押出すことで高熱伝導性複合材料（押出品）を得る。
・熱伝導率の測定：試料（高熱伝導性複合材料）の熱伝導率を測定する。

以上に説明した手順で実験を実施した。その内容及び結果を、表１、表２に示す。

・試料０１：比較対象のために、純アルミニウム（１００質量％Ａｌ）の熱伝導率を測定した。熱伝導率は、２３７Ｗ／ｍＫであった。
・試料０２：９５質量％の純アルミニウムと５質量％のカーボンファイバとを混合し、５００℃、２５ＭＰａ、アルゴンガス雰囲気の条件で焼結することで、一次成形品を得た。この一次成形品の熱伝導率は、２２２Ｗ／ｍＫであり、試料０１より低い値となった。

・試料０３：９５質量％の純アルミニウムと５質量％のカーボンファイバとを混合し、５００℃、２５ＭＰａ、アルゴンガス雰囲気の条件で焼結することで、一次成形品を得た。この一次成形品を溶解し、金型へ注湯し２００ＭＰａの条件で加圧し、二次成形品を得た。この二次成形品の熱伝導率は、２３８Ｗ／ｍＫであり、試料０１よりほぼ同じ値に留まった。

・試料０４：９５質量％の純アルミニウムと５質量％のカーボンファイバとを混合し、５００℃、２５ＭＰａ、アルゴンガス雰囲気の条件で焼結することで、一次成形品を得た。この一次成形品を溶解し、金型へ注湯し２００ＭＰａの条件で加圧し、二次成形品を得た。この二次成形品を３００℃の条件で押出すことより、押出品、すなわち、高熱伝導性複合材料を得た。この高熱伝導性複合材料の熱伝導率は、２４４Ｗ／ｍＫであり、試料０１より、大きかった。

・試料０５：押出温度３００℃を４００℃に変更し、その他の条件は試料０４と同一にした。得られた高熱伝導性複合材料の熱伝導率は、２５２Ｗ／ｍＫであり、試料０１より、十分に大きく、且つ試料０４より大きかった。

・試料０６〜試料０９：９０質量％の純アルミニウムと１０質量％のカーボンファイバとを混合し、試料０２〜０５と同様の実験を行った。得られた熱伝導率は表１に示す通りである。

・試料１０〜試料１３：８０質量％の純アルミニウムと２０質量％のカーボンファイバとを混合し、試料０２〜０５と同様の実験を行った。得られた熱伝導率は表２に示す通りである。

・試料１４〜試料１７：７０質量％の純アルミニウムと３０質量％のカーボンファイバとを混合し、試料０２〜０５と同様の実験を行った。得られた熱伝導率は表２に示す通りである。

試料０４、０５、０８、０９、１２、１３、１６、１７の熱伝導率が好ましい値であることが分かった。
そこで、これらの熱伝導率のさらなる評価を行う。

図４に示すように、押出温度（押出工程での加熱温度）が３００℃での曲線と、押出温度が４００℃での曲線は、共にカーボンファイバの含有率の増加に比例して熱伝導率が増大する。ただし、実験では示さなかったが、カーボンファイバの含有率が３０質量％を超えると、試料が脆弱（ぼろぼろ）になり、押出品を作製することができなかった。
したがって、カーボンファイバの含有率は３０質量％を上限として、マトリックス金属に添加することが推奨される。

次に、マトリックス金属を純アルミニウムからマグネシウム合金に変更し、他の条件は試料０１、試料０６〜１７と同一にして、試料１８〜試料３０を作製し、熱伝導率を測定した。内容及び結果を表３に示す。

試料２１、２２、２５、２６、２９、３０の熱伝導率が好ましい値であることが分かった。
そこで、これらの熱伝導率のさらなる評価を行う。

図５に示すように、押出温度（押出工程での加熱温度）が３００℃での曲線と、押出温度が４００℃での曲線は、共にカーボンファイバの含有率の増加に比例して熱伝導率が増大する。ただし、実験では示さなかったが、カーボンファイバの含有率が３０質量％を超えると、試料が脆弱（ぼろぼろ）になり、押出品を作製することができなかった。
したがって、カーボンファイバの含有率は３０質量％を上限として、マトリックス金属に添加することが推奨される。

なお、実験の説明は省略するが、アルミニウム合金、純マグネシウムについても実験を行い、図４、図５と同様の結果が確認できた。したがって、マトリクス金属はアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金の何れであってもよい。

さらには、マトリックス金属はチタン、チタン合金、銅、銅合金であってもよく、適宜変更可能である。

以上の実験では一次成形体を得る工程での加圧を、２５ＭＰａとした。この加圧力の好適範囲を確認するために、追加実験を行った。
２５ＭＰａの加圧力を０、１０、４５、５０、１００ＭＰａに変更し、他の条件は表１に示す試料０９と同じにして、試料を作製し、熱伝導率を測定した。結果を、表４に示す。

取扱い性の欄で△は、一次成形体が、ぼろぼろであったことを示す。○は取扱い性が良好であったことを示す。
すなわち、試料３１は、圧縮不足から、取扱いに支障がでるほどぼろぼろになった。このことから、加圧力がゼロでは好ましくないことが判明した。

取扱い性が良好な試料３２、０９、３３〜３５について、加圧力と熱伝導率の相関をグラフにより調べた。
図６に示すように、加圧力が５０ＭＰａ以上になると、熱伝導率が低下することが判明した。これは、加圧力によりカーボンファイバが切断されたためと考えられる。

したがって、焼結の工程における加圧力は、１０〜４５ＭＰａが好適範囲である。従来の技術では１００ＭＰａ以上であったが、本発明では、半分以下の圧力で十分であり、加圧力が小さいため、カーボンファイバの切断をより確実に防ぐことができる。

尚、本発明で製造される高熱伝導性複合材料は、ヒートシンク又はヒートシンク用素材に好適であるが、高温仕様の部品（高温バルブ、内燃機関部品など）に供することができ、用途を格別に限定するものではない。

本発明はヒートシンク又はヒートシンク用素材の製造技術に好適である。

１４…マトリックス金属粉末、１５…カーボンファイバ、１６…混合材料、２９…一次成形体、３４…溶湯、３５…高圧金型（下型）、３６…高圧金型（上型）、３８…二次成形体、４５…高熱伝導性複合材料。

Claims

高熱伝導性複合材料の製造方法であって、
マトリックス金属粉末に、カーボンファイバを添加して混合する工程と、
得られた混合材料を、真空、不活性ガス若しくは非酸化性ガス雰囲気中にて所定の加圧力で圧縮した状態で前記マトリックス金属の融点未満の焼結温度まで昇温し、この焼結温度に保ち焼結処理を行い一次成形体を得る工程と、
この一次成形体を前記マトリックス金属の融点に加熱して前記マトリックス金属の全てが溶融した形態の溶湯を得る工程と、
この溶湯を高圧鋳造金型へ移し、加圧することで二次成形体を得る工程と、
この二次成形体を押出成形することで高熱伝導性複合材料を得る工程と、からなることを特徴とする高熱伝導性複合材料の製造方法。
前記一次成形体を得る工程では、１０〜４５ＭＰａで加圧しながら行うことを特徴とする請求項１記載の高熱伝導性複合材料の製造方法。
前記高熱伝導性複合材料を得る工程での押出成形は、前記マトリック金属の再結晶温度以上で融点以下の条件で実施することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高熱伝導性複合材料の製造方法。
前記高熱伝導性複合材料の組成は、３０質量％を上限とするカーボンファイバと、残部のマトリックス金属とからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の高熱伝導性複合材料の製造方法。
前記マトリックス金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金の何れかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の高熱伝導性複合材料の製造方法。
前記高熱伝導性複合材料は、ヒートシンク又はヒートシンク用素材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の高熱伝導性複合材料の製造方法。