JP5744540B2 - 金属複合材料、金属複合材料の製造方法、放熱部品、及び放熱部品の製造方法 - Google Patents
金属複合材料、金属複合材料の製造方法、放熱部品、及び放熱部品の製造方法 Download PDFInfo
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Description
この構成によれば、金属粉末よりも高い熱伝導度を有する炭素材料を表面に露出させることで、金属複合材料の熱伝導度を向上させることができる。また、親水性が付与された炭素材料が表面に露出されるため、金属複合材料の親水性を向上させることができる。このため、この金属複合材料をヒートパイプやベーパチャンバのウイックに使用することにより、作動流体を狭い空隙にも浸透させることができ、作動流体との接触面積が増大して大きな放熱面積を得ることができる。これにより、放熱効率を向上させることができる。
(金属複合材料)
本実施形態の金属複合材料は、表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、その凝着された炭素材料が当該金属複合材料の表面の一部に露出されて構成されるものである。具体的には、金属複合材料は、金属粉末の表面及び表面直下に、機械的エネルギーによって粉砕された炭素材料及び未粉砕の炭素材料が凝着され、それら炭素材料が当該金属複合材料の表面の一部に露出されて構成されるものである。より具体的には、金属複合材料は、その表面が上述した炭素材料と金属粉末の結晶粒とによって凹凸状に形成されて構成されるものである。
(金属複合材料の製造方法)
次に、このように構成された金属複合材料の製造方法を図1〜図6に従って説明する。
(混合工程)
まず、混合工程では、銅粉末とカーボンナノチューブとが混合される(ステップS1)。このとき、銅粉末とカーボンナノチューブとの混合割合は、特に限定されないが、例えば0.1質量%〜5質量%のカーボンナノチューブが混合物中に含まれるようにする。また、銅粉末の粒子形状や粒径は特に限定されないが、例えば40μm〜3mmの粒径の銅粉末を使用する。このような混合割合及び粒径とすることにより、次の凝着工程において好適にカーボンナノチューブを銅粉末に凝着させることができる。
(凝着工程)
次に、凝着工程では、銅粉末とカーボンナノチューブとの混合物に機械的衝撃力を加えることによって、銅粉末の表面及び表面直下内部にカーボンナノチューブが凝着される(ステップS2)。このような機械的衝撃力を与える方法としては、例えば図2に示す高速衝突装置10を用いる方法が挙げられる。ここで、まず、高速衝突装置10の構造について説明する。
まず、カーボンナノチューブが酸化燃焼しない雰囲気、例えば不活性ガス(アルゴンガス等)や窒素ガス等を雰囲気として、上記混合工程にて混合された銅粉末及びカーボンナノチューブが原料供給用シュート19を介して衝撃室12に供給される。このとき、開閉弁18及び排出弁20を閉じた状態で、図示しない駆動手段により回転軸13を介してロータ14を、周速度50m/s〜150m/s程度で1分〜3分間回転させる。これにより、銅粉末及びカーボンナノチューブは、衝撃室12内を高速で回転しながら飛散し、その間にステータ11の表面やブレード15に回転しながら衝突する。衝突した銅粉末及びカーボンナノチューブは、ステータ11に開口している循環管16を循環した後、再び衝撃室12に供給される。このようにして、銅粉末及びカーボンナノチューブが、ロータ14の回転にしたがって衝撃室12と循環管16との間を多数回循環される。この間、ステータ11やロータ14への衝突が繰り返されることにより、カーボンナノチューブの表面に強い機械的エネルギーが発生し、カーボンナノチューブの一部が粉砕される。このように粉砕されたカーボンナノチューブでは、粉砕などの機械的エネルギーが化学的なエネルギーの形で表面に蓄えられ、その結果、物理化学的性質の変化が誘起され、表面の活性が高められる(メカノケミカル効果)。そして、このメカノケミカル効果によって、粉砕後のカーボンナノチューブでは親水性が高められる。
このような凝着工程において、銅粉末にカーボンナノチューブが埋め込まれることによって、銅粉末からのカーボンナノチューブの脱離が抑制され、後工程(昇華工程)で均質な複合材料を得ることができる。
(分級工程)
図1に示すように、次の分級工程では、上記金属複合材料1のみを回収するために、その金属複合材料1以外の試料を分級除去する(ステップS3)。具体的には、未凝着のカーボンナノチューブ、未凝着の銅粉末、及び銅粉末同士が凝着された銅粉末を分級除去する。なお、この分級工程は、例えばエルボージェット型の気流分級装置により行うことができる。
(昇華工程)
次に、昇華工程では、上記分級工程により回収された金属複合材料1を加熱して、金属複合材料1の表面、つまり凝着層2中の銅の一部を昇華させる(ステップS4)。具体的には、カーボンナノチューブが酸化燃焼しない雰囲気(例えば真空、不活性ガスや窒素ガス)下で、銅の昇華条件にて金属複合材料1を加熱して、凝着層2中の銅の一部を昇華させる。より具体的には、例えば真空炉中において、真空度1×10−3Pa〜1×10−4Pa及び温度800度〜1100度にて金属複合材料1を加熱して、凝着層2中の銅の一部を昇華させ、凝着層2中のカーボンナノチューブを金属複合材料1の表面の一部(例えば、表面積の1%〜70%程度)に露出させる。なお、昇華時間は、特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブが金属複合材料1の表面の1%〜70%の面に露出されるように設定すればよい。なお、この金属複合材料1中のカーボンナノチューブの露出度合は、例えば超高分解能FE−SEMや電子顕微鏡による組織観察等によって測定することができる。
(適用例)
以上説明した金属複合材料1A(又は金属複合材料1)は、熱伝導度及び親水性に優れているため、ヒートパイプ、ベーパチャンバ、ヒートスプレッダ、ヒートシンクや熱交換器等のように放熱又は熱伝導機能を有する放熱部品に幅広く適用することができる。以下に、このような放熱部品に金属複合材料1Aを適用した場合の具体例を説明する。
(適用例1)
まず、上述した金属複合材料1Aをヒートパイプに適用した場合の例を説明する。
(粉末の焼結体)
まず、図9(a)に示す配置工程(ステップS5)では、上記分級工程(ステップS3)で回収した金属複合材料1を、図8に示すように一端(例えば、蒸発部側の端部)を封止したコンテナ31の内部空間33に配置する。続いて、図9(a)に示す焼結工程(ステップS6)では、金属複合材料1が配置されたコンテナ31を、公知の焼結法によって銅の昇華条件にて加熱することにより、金属複合材料1の凝着層2(図3参照)中の銅の一部を昇華させるとともに、金属複合材料1同士を焼結させる。これにより、金属複合材料1中のカーボンナノチューブの一部が金属複合材料1の表面の一部に露出され、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料1Aが形成される。さらに、この金属複合材料1Aの表面に露出された銅同士が結合され、金属複合材料1Aの焼結体が形成される。このとき、コンテナ31の内壁面31Aが銅で形成されているため、金属複合材料1Aの焼結体の形成と共に、その焼結体をコンテナ31の内壁面31Aに接着することができる。換言すると、金属複合材料1Aの焼結体からなるウイックをコンテナ31の内壁面31Aに形成することができる。
(変形例)
上記適用方法では、分級工程(ステップS3)で回収した金属複合材料1をコンテナ31内に配置するようにしたが、図9(b)に示すように、上記昇華工程(ステップS4)後の金属複合材料1Aをコンテナ31内に配置するようにしてもよい。具体的には、図9(b)に示す配置工程(ステップS7)では、昇華工程(ステップS4)で得られた金属複合材料1Aを、図8に示すように一端を封止したコンテナ31の内部空間33に配置する。この場合、その後の焼結工程(ステップS8)において、金属複合材料1Aが配置されたコンテナ31を、公知の焼結法によって加熱することにより、コンテナ31の内壁面31Aに金属複合材料1Aを接着させる。このとき、金属複合材料1Aの表面に露出された銅同士が結合され、金属複合材料1Aの焼結体が形成されるため、コンテナ31の内壁面31Aには金属複合材料1Aの焼結体を接着させることができる。
(編組又は細線の束)
図10に示すように、引抜きダイス40の内面に上記分級工程で回収した金属複合材料1を供給した状態で、純銅線41を引抜き加工により細線化する。これにより、銅線41の表面に金属複合材料1が埋め込まれつつ、銅線が所望の径に細線化される。このとき、上記金属複合材料1は、引抜き加工における固体潤滑剤としても機能する。
(グルーブ)
図11に示すように、銅管50をダイス51にセットし、グルーブ加工用のプラグ52、つまり外周面に溝及び突条を有するプラグ52を銅管50内に挿入する。続いて、プラグ52と銅管50の内壁50Aとの隙間に上記分級工程で回収した金属複合材料1を供給した状態で、銅管50に対して引抜き加工又は押出し加工を施す。これにより、図12に示すように、銅管50の内壁に上記プラグ52の溝及び突条に対応したグルーブ(溝)50Gが形成される。同時に、図11に示すように、そのグルーブ50Gに上記金属複合材料1が擦り込まれる。
(適用例2)
次に、上述した金属複合材料1Aをベーパチャンバに適用した場合の例を説明する。
(変形例)
上記適用方法では、分級工程(ステップS3)で回収した金属複合材料1をコンテナ部品60,61内に配置するようにしたが、図9(b)の方法と同様に、上記昇華工程(ステップS4)後の金属複合材料1Aをコンテナ部品60,61内に配置するようにしてもよい。
(適用例3)
次に、上述した金属複合材料1Aをヒートスプレッダに適用した場合の例を説明する。
図15に示すように、ヒートスプレッダ70は、その主要部分が板状に形成された板状部71と、この板状部71の周囲に一体的に形成された側壁部72とからなる構造を有している。これら板状部71と側壁部72とによって凹部73が形成されている。図16に示すように、このヒートスプレッダ70の凹部73の底面73Aが半導体素子80の外面(非デバイス面)に接するように配置され、側壁部72がパッケージ81上に固定される。このヒートスプレッダ70の板状部71の上面71Aには、例えばベーパチャンバ82が取り付けられ、さらに、そのベーパチャンバ82の上に放熱フィン83Aを有するヒートシンク83が取り付けられる。このようなヒートスプレッダ70の材料には、代表的に銅(Cu)が用いられ、さらにその表面にニッケル(Ni)めっきが施されている。
まず、図15に示すように、上記ヒートスプレッダ70の上面71Aに所定のピッチで深さ0.1mm〜1mm程度の溝74を加工する。この溝74に、上記分級工程で回収した金属複合材料1を詰め込む。なお、この工程は、コールドスプレー法によりヒートスプレッダ70の上面71Aに上記金属複合材料1を堆積・皮膜させるようにしてもよい。
(適用例4)
次に、金属複合材料1Aを大気放熱用の平板に適用した場合の例を説明する。
(その他の適用例)
発熱が製品の寿命や信頼性に大きく影響する製品では、より効率的に冷却・放熱する技術が一般に求められている。例えばLED電球が備える放熱板に上記金属複合材料1,1Aを適用することにより、LED電球を効率良く放熱・冷却することができるようになる。これにより、LED電球の長寿命化を図ることが可能となる。
(1)金属複合材料1,1Aでは、熱伝導度が銅よりも3倍〜4倍程度高いカーボンナノチューブが表面に露出される。このため、金属複合材料1,1Aの表面を熱が伝わりやすくなり、金属複合材料1,1Aの熱伝導度を複合前の銅粉末のそれと比べて飛躍的に向上させることができる。
・上記実施形態における混合工程を省略してもよい。この場合、例えば凝着工程で使用する高速衝突装置10の中で、金属粉末と炭素材料とを混合すればよい。
・上記実施形態における昇華工程を省略してもよい。
・上記実施形態における高速衝突装置10のロータ14の回転数は特に制限されない。すなわち、ロータ14の回転数は、炭素材料の一部が粉砕され、且つ炭素材料が金属粉末に凝着される強度の機械的衝撃力を、金属粉末及び炭素材料に与えられる回転数であれば良い。このため、ロータ14の回転数は、使用する金属粉末の種類(硬度など)や炭素材料の種類(硬度など)に応じて適宜設定すればよい。
(実施例1)
平均粒径100μmの銅粉末と、平均繊維径10nm〜25nm及び平均繊維長2μm〜10μmのカーボンナノチューブとを準備し、これら銅粉末とカーボンナノチューブとの混合物中に、カーボンナノチューブが1.0質量%含まれるように秤量した。図2に示した高速衝突装置10を用いて、アルゴンガス雰囲気下で、ロータ14を周速度70m/sで3分間回転させて、上記混合物に機械的衝撃力を加えた。この凝着工程によって得られた金属複合材料を分級によって回収した。
<濡れ性評価>
大気中において、実施例1のヒートスプレッダの凹部底面に純水20μlを滴下したときの凹部底面の様子を観察した(図17(a)参照)。この比較例として、大気中において、銅板(図17(b)参照)、銅粉末の焼結体(図17(c)参照)及び酸化銅粉末の焼結体(図17(d)参照)のそれぞれの表面に純水20μlを滴下したときの各表面の様子を観察した。
<熱特性の測定>
(比較例1)
サイズ30×30mmで板状部の厚みが3mmである銅製のヒートスプレッダを測定に使用した。
(測定方法)
各例のヒートスプレッダの凹部底面を上側に向けて上部を大気中に開放した状態で、室温時に凹部底面に1000μlの純水を滴下した。その後、ヒートスプレッダの凹部底面と反対側の面に接触させたヒータブロックをヒータ(100度)にて加熱し、ヒータブロック内部の温度変化を測定した。
(測定結果)
図18から明らかなように、実施例1では、安定域、つまり滴下された純水を蒸発させている期間(約210s〜450s)の温度が、比較例1の場合のそれと比べて14度〜24度低く、熱特性が向上していることが分かる。また、実施例1では、滴下された純水が完全に蒸発するまでの時間(約450s)が、比較例1の場合のそれと比べて大幅に短縮されており、放熱効率が大幅に向上していることが分かる。
2 凝着層
10 高速衝突装置
30 ヒートパイプ
31 コンテナ
31A 内壁面
32 ウイック
33 内部空間
60 下コンテナ部品
60A 内壁面
61 上コンテナ部品
61A 内壁面
62 コンテナ
63 ベーパチャンバ
70 ヒートスプレッダ
71A 上面(表面)
Claims (18)
- 金属粉末の母結晶組織と、前記金属粉末の母結晶よりも微細な微細結晶組織と、前記金属粉末よりも熱伝導度の高い炭素材料が前記金属粉末の結晶粒に凝着された凝着層と、を有し、
前記炭素材料は、未粉砕の炭素材料と、粉砕された炭素材料を含み、
前記粉砕された炭素材料の親水性は、前記未粉砕の炭素材料の親水性よりも高く、
前記炭素材料は最表層に形成された前記凝着層に埋め込まれ、前記粉砕された炭素材料の一部が前記凝着層の表面の一部に露出されていることを特徴とする金属複合材料。 - 前記炭素材料と前記金属粉末の結晶粒とによって表面が凹凸状に形成され、表面積が複合前の前記金属粉末の表面積よりも増大されていることを特徴とする請求項1に記載の金属複合材料。
- 前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属複合材料。
- 前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の金属複合材料。
- 前記炭素材料が凝着された金属粉末の集合体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の金属複合材料。
- 金属粉末と前記金属粉末よりも熱伝導度の高い炭素材料に対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記炭素材料の一部を粉砕するとともに、前記粉砕後の炭素材料と未粉砕の炭素材料を前記金属粉末表面に凝着させる凝着工程と、
前記凝着工程の後に、前記金属粉末の表面の金属の一部を昇華させることにより、前記凝着された炭素材料を前記金属粉末の表面の一部に露出させる昇華工程と、
を有し、
前記凝着工程では、前記粉砕後の炭素材料の親水性が前記未粉砕の炭素材料の親水性よりも高くなることを特徴とする金属複合材料の製造方法。 - 前記凝着工程の後に、前記炭素材料の凝着された金属粉末以外の試料を分級除去する分級工程を備えることを特徴とする請求項6に記載の金属複合材料の製造方法。
- 前記機械的衝撃力は、前記炭素材料と前記金属粉末とを、前記炭素材料が粉砕され得る周速度で処理することにより生み出されることを特徴とする請求項6又は7に記載の金属複合材料の製造方法。
- 前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1つに記載の金属複合材料の製造方法。
- 前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1つに記載の金属複合材料の製造方法。
- 金属粉末の母結晶組織と、前記金属粉末の母結晶よりも微細な微細結晶組織と、前記金属粉末よりも熱伝導度の高い炭素材料が前記金属粉末の結晶粒に凝着された凝着層と、を有する金属複合材料が表面又は内壁面に接着されてなり、
前記炭素材料は、未粉砕の炭素材料と、粉砕された炭素材料を含み、
前記粉砕された炭素材料の親水性は、前記未粉砕の炭素材料の親水性よりも高く、
前記炭素材料は前記金属複合材料の最表層に形成された前記凝着層に埋め込まれ、前記粉砕された炭素材料の一部が前記金属複合材料の表面の一部に露出されていることを特徴とする放熱部品。 - 前記金属複合材料が、前記炭素材料と前記金属粉末の結晶粒とによって表面が凹凸状に形成され、該金属複合材料の表面積が複合前の前記金属粉末の表面積よりも増大されていることを特徴とする請求項11に記載の放熱部品。
- 前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項11又は12に記載の放熱部品。
- 前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項11〜13のいずれか1つに記載の放熱部品。
- 前記金属複合材料は、前記炭素材料が凝着された金属粉末の集合体であることを特徴とする請求項11〜14のいずれか1つに記載の放熱部品。
- 金属粉末と前記金属粉末よりも熱伝導度の高い炭素材料に対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記炭素材料の一部を粉砕するとともに、前記粉砕後の炭素材料と未粉砕の炭素材料を前記金属粉末表面に凝着させた金属複合材料を形成する凝着工程と、
前記凝着工程の後に、前記金属複合材料の表面の金属の一部を昇華させることにより、前記凝着された炭素材料を前記金属複合材料の表面の一部に露出させる昇華工程と、
前記金属複合材料を放熱部品の表面又は内部空間に配置し、前記放熱部品を加熱することにより、前記放熱部品の表面又は内壁面に前記金属複合材料を接着させる焼結工程と、を有し、
前記凝着工程では、前記粉砕後の炭素材料の親水性が前記未粉砕の炭素材料の親水性よりも高くなることを特徴とする放熱部品の製造方法。 - 前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項16に記載の放熱部品の製造方法。
- 前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項16又は17に記載の放熱部品の製造方法。
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