JP6694291B2 - Method for producing composite material of metal and carbon fiber - Google Patents
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Description
本発明は、 金属と炭素繊維との複合材の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a composite material of metal and carbon fiber.
なお本明細書及び特許請求の範囲では、「アルミニウム」の語は、特に明示する場合を除き純アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む意味で用いられ、また同じく「銅」の語は、特に明示する場合を除き純銅及び銅合金の双方を含む意味で用いられる。 In the present specification and claims, the term "aluminum" is used to include both pure aluminum and aluminum alloys unless otherwise specified, and the term "copper" is also specifically specified. Except when used, it is meant to include both pure copper and copper alloys.
金属として例えばアルミニウムの放熱性を向上させるとともに線膨張率をコントロールした材料として、アルミニウムと炭素材との複合材が検討されている。 For example, a composite material of aluminum and a carbon material has been studied as a material that improves the heat dissipation of aluminum as a metal and controls the linear expansion coefficient.
この複合材の製造方法として、溶融したアルミニウムに炭素材としての炭素繊維を入れて撹拌混合する方法（溶湯撹拌法）、空隙を有する炭素成形体内に溶融したアルミニウムを押し込む方法（溶湯鍛造法）、アルミニウム粉末と炭素粉末を混合して加圧加熱焼成する方法（粉末冶金法）、アルミニウム粉末と炭素粉末を混合して押出加工する方法（粉末押出法）などが知られている。 As a method for producing this composite material, a method of stirring and mixing carbon fibers as a carbon material into molten aluminum (melt stirring method), a method of pushing molten aluminum into a carbon compact having voids (melt forging method), A method of mixing aluminum powder and carbon powder and heating under pressure (powder metallurgy method), a method of mixing aluminum powder and carbon powder and extrusion processing (powder extrusion method), etc. are known.
しかしながら、これらの方法では、溶融したアルミニウム又はアルミニウム粉末を用いるので、製造作業が煩雑であるし、製造設備が大型化していた。 However, in these methods, since molten aluminum or aluminum powder is used, the manufacturing work is complicated and the manufacturing equipment is large.
また、特開昭５９−７６８４０号公報（特許文献１）は、無機ウィスカーを有機結合剤により金属薄板の金属面に結合又は接着させることで前駆成型物（プリプレグ）を製作し、次いで前駆成型物を複数積層して加熱加圧することで強化金属材を製造する方法を開示している。 Further, Japanese Patent Laid-Open No. 59-76840 (Patent Document 1) produces a precursor molded product (prepreg) by bonding or adhering an inorganic whisker to a metal surface of a metal thin plate with an organic binder, and then a precursor molded product. Disclosed is a method of manufacturing a reinforced metal material by laminating a plurality of layers and applying heat and pressure.
また、特許第５１５０９０５号公報（特許文献２）は、炭素繊維を有機バインダー及び溶剤と混合して塗布混合物を準備し、次いで塗布混合物をシート状又はフォイル状の金属支持体上に付着させることでプリフォーム箔（塗工箔）を形成し、その後、プリフォーム箔を複数積み重ねて積層体を形成し、そして積層体を加熱圧接してプリフォーム箔同士を一体化させることにより、金属と炭素繊維との複合材としての金属基炭素繊維複合材を製造する方法を開示している。 Also, Japanese Patent No. 5150905 (Patent Document 2) prepares a coating mixture by mixing carbon fibers with an organic binder and a solvent, and then deposits the coating mixture on a sheet-shaped or foil-shaped metal support. By forming a preform foil (coated foil), stacking a plurality of preform foils to form a laminate, and heating and pressing the laminate to integrate the preform foils with each other, the metal and the carbon fiber Disclosed is a method for producing a metal-based carbon fiber composite material as a composite material with.
また、金属と炭素繊維との複合材の製造方法を開示したその他の文献としては、特許第５１４５５９１号公報（特許文献３）及び特開２０１５−２５１５８号公報（特許文献４）がある。 Other documents disclosing a method for producing a composite material of metal and carbon fiber include Japanese Patent No. 5145591 (Patent Document 3) and Japanese Patent Laid-Open No. 2015-25158 (Patent Document 4).
上記の特許文献２〜４に開示された製造方法では、金属層と炭素繊維層が交互に複数積層された状態で接合一体化されてなる金属と炭素繊維との複合材が得られる。 According to the manufacturing methods disclosed in Patent Documents 2 to 4 above, a composite material of metal and carbon fiber is obtained, which is joined and integrated in a state where a plurality of metal layers and carbon fiber layers are alternately laminated.
而して、上記の特許文献１に開示された複合材の製造方法では、金属薄板の金属面に結合又は接着した無機ウィスカー層が厚すぎると、無機ウィスカー層内に金属薄板の金属が十分に浸透することができず、無機ウィスカー層内に空隙ができてしまうこと、及び、無機ウィスカー層を挟んだ両側に配置された金属薄板同士があまり接合されないことが原因で、複合材の強度は低かった。 Thus, in the method for producing a composite material disclosed in Patent Document 1 described above, when the inorganic whisker layer bonded or bonded to the metal surface of the metal thin plate is too thick, the metal of the metal thin plate is sufficiently contained in the inorganic whisker layer. The strength of the composite material is low due to the inability to penetrate and to create voids in the inorganic whisker layer and the fact that the thin metal plates placed on both sides of the inorganic whisker layer are not joined well. It was
上記の特許文献２〜４に開示された複合材には次のような欠点があった。 The composite materials disclosed in Patent Documents 2 to 4 have the following drawbacks.
ここで本明細書では、複合材において、金属層と炭素繊維層との積層方向に対して垂直な面を「複合材の平面」といい、金属層と炭素繊維層との積層方向に対して垂直な面方向を「複合材の平面方向」という。 Here, in the present specification, in the composite material, a plane perpendicular to the laminating direction of the metal layer and the carbon fiber layer is referred to as a “plane of the composite material”, and with respect to the laminating direction of the metal layer and the carbon fiber layer. The vertical plane direction is called the "plane direction of the composite material".
複合材において、炭素繊維層中の炭素繊維の繊維方向が複合材の平面内で一方向に揃っている場合、即ち炭素繊維が一方向に配向している場合には、線膨張係数、熱伝導率等の複合材の物性が複合材の平面内における炭素繊維の繊維方向（即ち炭素繊維の配向方向）とその直角方向とで大きく相異する。そのため、複合材が加熱されたときに複合材が歪み易いという欠点があった。 In the composite material, when the fiber directions of the carbon fibers in the carbon fiber layer are aligned in one direction within the plane of the composite material, that is, when the carbon fibers are oriented in one direction, the linear expansion coefficient, the thermal conductivity The physical properties of the composite material such as the ratio greatly differ between the fiber direction of the carbon fibers in the plane of the composite material (that is, the orientation direction of the carbon fibers) and the direction perpendicular thereto. Therefore, there is a drawback that the composite material is easily distorted when it is heated.
そこで、プリフォーム箔を炭素繊維の繊維方向が交互に直角になるように複数積層して積層体を形成することが考えられる。 Therefore, it is conceivable to form a laminate by laminating a plurality of preform foils so that the fiber directions of the carbon fibers are alternately perpendicular.
しかしこの方法では、炭素繊維の繊維方向を考慮しながらプリフォーム箔を積層しなければならないので、プリフォーム箔の積層作業が面倒である。しかも、複合材の平面内における炭素繊維の繊維方向に対して斜め方向（例：４５°の方向）の物性（例：線膨張係数）を炭素繊維の繊維方向及びその直角方向の物性と同じにすることが困難であった。 However, in this method, since the preform foils must be laminated while considering the fiber direction of the carbon fibers, the work of laminating the preform foils is troublesome. Moreover, the physical properties (eg, linear expansion coefficient) in the oblique direction (eg, 45 ° direction) with respect to the fiber direction of the carbon fiber in the plane of the composite material are made the same as those of the carbon fiber in the fiber direction and the direction perpendicular thereto. It was difficult to do.
本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、複合材の平面方向の物性の均一化を図ることができる金属と炭素繊維との複合材の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above technical background, and an object thereof is to provide a method for producing a composite material of a metal and carbon fiber, which can achieve uniform physical properties in the plane direction of the composite material. It is in.
本発明は以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means.
［１］ 炭素繊維とバインダーと前記バインダー用溶剤とを混合状態に含有する塗工液をグラビア印刷法により金属箔の表面に塗工し、乾燥させることにより、前記金属箔の表面上に炭素繊維層が形成された塗工箔を得る工程と、
前記塗工箔が複数積層された状態の積層体を形成する工程と、
前記積層体を加熱することにより前記積層体から前記バインダーを除去し、そして前記積層体を前記塗工箔の積層方向に加圧しながら加熱することにより前記塗工箔を接合一体化する工程と、を具備し、
前記塗工箔を得る工程では、前記炭素繊維層が白抜け状態になるように前記塗工液をグラビア印刷法により塗工し、乾燥させる、金属と炭素繊維との複合材の製造方法。
[1] A carbon fiber is formed on the surface of the metal foil by applying a coating solution containing carbon fiber, a binder and a solvent for the binder in a mixed state onto the surface of the metal foil by a gravure printing method and drying. A step of obtaining a coating foil on which a layer is formed,
A step of forming a laminated body in which a plurality of the coating foils are laminated,
Removing the binder from the laminated body by heating the laminated body, and a step of joining and integrating the coating foil by heating the laminated body while pressurizing in the laminating direction of the coating foil, Equipped with,
In the step of obtaining the coating foil, a method for producing a composite material of metal and carbon fiber, wherein the coating solution is applied by a gravure printing method and dried so that the carbon fiber layer is in a blank state.
本発明は以下の効果を奏する。 The present invention has the following effects.
前項［１］では、金属箔の表面に塗工液を塗工すること、塗工箔が複数積層された状態の積層体を形成すること、及び、積層体を加圧加熱することで塗工箔を接合一体化することを採用することにより、金属と炭素繊維との複合材を安価に且つ大量に製造することができる。 In the preceding paragraph [1], coating is performed by applying a coating liquid on the surface of a metal foil, forming a laminate in which a plurality of coating foils are laminated, and heating the laminate under pressure. By adopting that the foils are bonded and integrated, a composite material of metal and carbon fiber can be manufactured inexpensively and in a large amount.
さらに、塗工箔を接合一体化する工程では、積層体からバインダーを除去することにより、得られる複合材の熱伝導率を確実に高めることができる。 Further, in the step of joining and integrating the coating foils, the binder can be removed from the laminate to reliably increase the thermal conductivity of the obtained composite material.
さらに、塗工箔を得る工程では、炭素繊維層が白抜け状態になるように塗工液をグラビア印刷法により塗工し、乾燥させることにより、金属箔の表面上において、炭素繊維層を構成する各網点中の多数の炭素繊維は、網点の中心部に形成された気泡はじけ部の周囲に該気泡はじけ部を包囲する方向に略円環状（略年輪状）に配列する。このような炭素繊維の略円環状配列が金属箔の表面上に存在する多数の網点それぞれに生じ、その結果、金属箔の表面全体では炭素繊維の配向度が低下する。これにより、複合材の平面方向の物性の均一化を図ることができる。 Further, in the step of obtaining the coating foil, the coating solution is applied by the gravure printing method so that the carbon fiber layer is in a blank state, and dried to form the carbon fiber layer on the surface of the metal foil. A large number of carbon fibers in each halftone dot are arranged around the bubble burs formed in the central portion of the halftone dots in a substantially annular shape (substantially annual ring shape) in a direction surrounding the bubble burs. Such a substantially annular array of carbon fibers occurs at each of a large number of halftone dots existing on the surface of the metal foil, and as a result, the degree of orientation of the carbon fibers decreases over the entire surface of the metal foil. Thereby, the physical properties of the composite material in the planar direction can be made uniform.
しかも、積層体を形成する際に炭素繊維の繊維方向を考慮する必要がなく、これにより複合材の平面方向の物性の均一化を容易に図ることができる。 Moreover, it is not necessary to consider the fiber direction of the carbon fibers when forming the laminated body, which makes it possible to easily make the physical properties of the composite material uniform in the plane direction.
次に、本発明の一実施形態について図面を参照して以下に説明する。 Next, an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の一実施形態に係る金属と炭素繊維との複合材（複合体）の製造方法は、図１に示すように、塗工箔を得る工程Ｓ１と、積層体を形成する工程Ｓ２と、塗工箔を焼結一体化する工程Ｓ３とを含んでおり、この記載の順にこれらの工程が行われる。 As shown in FIG. 1, a method for manufacturing a composite material (composite material) of metal and carbon fiber according to an embodiment of the present invention includes a step S1 of obtaining a coating foil, a step S2 of forming a laminate, The step S3 of integrating the coating foil by sintering is included, and these steps are performed in the order described.
塗工箔を得る工程Ｓ１は、図２に示すように詳述すると、塗工液５を金属箔１０の帯状条材１０Ａの表面１０ａにグラビア印刷法により塗工し、乾燥させることにより、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ上に炭素繊維層１１が形成されてなる塗工箔１４の帯状条材１４Ａを得る工程である。塗工液５は、炭素繊維１とバインダー２とバインダー２用溶剤３とを混合状態に含有したものである。 The step S1 of obtaining a coating foil will be described in detail as shown in FIG. 2. By applying the coating liquid 5 to the surface 10a of the strip-shaped material 10A of the metal foil 10 by the gravure printing method and drying the coating solution, the metal This is a step of obtaining a strip-shaped strip material 14A of a coated foil 14 in which a carbon fiber layer 11 is formed on a surface 10a of a strip material 10A of a foil 10. The coating liquid 5 contains carbon fibers 1, a binder 2, and a solvent 3 for the binder 2 in a mixed state.
積層体１５を形成する工程Ｓ２は、図６に示すように、塗工箔１４が複数積層された状態の積層体１５を形成する工程である。 The step S2 of forming the laminated body 15 is a step of forming the laminated body 15 in a state where a plurality of coating foils 14 are laminated, as shown in FIG. 6.
塗工箔１４を焼結一体化する工程Ｓ３は、図７に示すように、積層体１５を塗工箔１４の積層方向（即ち積層体１５の厚さ方向）に加圧しながら加熱することにより塗工箔１４を焼結一体化する工程である。この工程Ｓ３は、積層体１５を加熱することにより積層体１５からバインダー２を除去する工程Ｓ３ａを含んでいる（図１参照）。 As shown in FIG. 7, the step S3 of sintering and integrating the coating foil 14 is performed by heating the laminated body 15 while pressurizing it in the laminating direction of the coating foil 14 (that is, the thickness direction of the laminated body 15). This is a step of sintering and coating the coating foil 14. This step S3 includes a step S3a of removing the binder 2 from the laminated body 15 by heating the laminated body 15 (see FIG. 1).
なお、塗工箔１４を焼結一体化する工程Ｓ３は、特許請求の範囲に記載された、塗工箔１４を接合一体化する工程についての望ましい一例に相当している。 The step S3 of integrating the coating foil 14 by sintering corresponds to a desirable example of the step of joining and integrating the coating foil 14 described in the claims.
本実施形態で得られる複合材１７は、図８に示すように、金属箔１０で形成された金属層と多数の炭素繊維１を主体とする炭素繊維層（ドットハッチングで示す）１１とが交互に複数積層された状態で焼結一体化されたものである。炭素繊維層１１内には金属箔１０の金属の一部が浸透している。 In the composite material 17 obtained in the present embodiment, as shown in FIG. 8, a metal layer formed of the metal foil 10 and a carbon fiber layer 11 (shown by dot hatching) 11 mainly composed of many carbon fibers 1 are alternately arranged. It is one that is sintered and integrated in a state of being laminated in plural. Part of the metal of the metal foil 10 has penetrated into the carbon fiber layer 11.
複合材１７は炭素繊維１を含んでいることから、複合材１７の平面方向の線膨張係数は金属とセラミックとの中間程度になる。したがって、複合材１７は、パワーモジュール用基板等の電子モジュール用絶縁基板における絶縁セラミック層と金属配線層との間に配置される緩衝層（この層を説明の便宜上「第１緩衝層」という）の材料として及び／又は絶縁セラミック層と金属冷却層（金属放熱層を含む）との間に配置される緩衝層（この層を説明の便宜上「第２緩衝層」という）の材料として好適に利用可能である。 Since the composite material 17 includes the carbon fiber 1, the coefficient of linear expansion of the composite material 17 in the plane direction is about the intermediate level between the metal and the ceramic. Therefore, the composite material 17 is a buffer layer disposed between the insulating ceramic layer and the metal wiring layer in the electronic module insulating substrate such as the power module substrate (this layer is referred to as “first buffer layer” for convenience of description). And / or as a material for a buffer layer (this layer is referred to as a "second buffer layer" for convenience of description) disposed between the insulating ceramic layer and the metal cooling layer (including the metal heat dissipation layer). It is possible.
さらに、複合材１７は、炭素繊維１で強化された金属基複合材料として捉えることができ、高い放熱性を有しておりまた高いヤング率も有している。したがって、複合材１７は、高い機械的強度（例：曲げ強度）を要求される部材の材料としても好適に使用可能である。 Furthermore, the composite material 17 can be regarded as a metal-based composite material reinforced with the carbon fiber 1, has a high heat dissipation property, and also has a high Young's modulus. Therefore, the composite material 17 can be suitably used as a material of a member that requires high mechanical strength (eg, bending strength).
次に、各工程について以下に詳細に説明する。 Next, each step will be described in detail below.
＜塗工箔１４を得る工程Ｓ１＞
本工程Ｓ１で使用される塗工液５は例えば次のようにして得られる。図２に示すように、多数の炭素繊維１とバインダー２とバインダー２用溶剤３とを混合容器４１内に入れてこれらを撹拌混合装置４２により撹拌混合する。これにより、炭素繊維１とバインダー２と溶剤３とを混合状態に含有した塗工液５が調製される。このとき、分散剤、消泡剤、表面調整剤、粘度調整剤なども必要に応じて混合容器４１内に入れて炭素繊維１、バインダー２及び溶剤３と一緒に撹拌混合し、塗工液５に含有させても良い。
<Step S1 of obtaining coating foil 14>
The coating liquid 5 used in this step S1 is obtained, for example, as follows. As shown in FIG. 2, a large number of carbon fibers 1, a binder 2, and a solvent 3 for the binder 2 are placed in a mixing container 41, and these are agitated and mixed by an agitating and mixing device 42. Thus, the coating liquid 5 containing the carbon fiber 1, the binder 2, and the solvent 3 in a mixed state is prepared. At this time, a dispersant, a defoaming agent, a surface modifier, a viscosity modifier, and the like are also placed in the mixing container 41 as needed, and the mixture is stirred and mixed with the carbon fiber 1, the binder 2, and the solvent 3, and the coating liquid 5 is added. It may be contained in.
炭素繊維１、バインダー２及び溶剤３についての具体的な説明は後述する。 Specific description of the carbon fiber 1, the binder 2 and the solvent 3 will be given later.
塗工液５をグラビア印刷法により塗工するために用いられるグラビア塗工装置２０（例：グラビアコーター）は、詳述するとダイレクトグラビア塗工装置（例：ダイレクトグラビアコーター）であり、グラビアロール２１、バックアップロール２４、塗工液５を収容した塗工液パン２６などを備えている。 The gravure coating device 20 (example: gravure coater) used for coating the coating liquid 5 by the gravure printing method is a direct gravure coating device (example: direct gravure coater), and is a gravure roll 21. , A backup roll 24, a coating liquid pan 26 containing the coating liquid 5, and the like.
グラビアロール２１の周面２１ａにはその全体に亘って多数のグラビアセル（以下「セル」という）が整然と配列して設けられている。バックアップロール２４は、グラビアロール２１に対向して配置されている。 A large number of gravure cells (hereinafter referred to as "cells") are arranged in an orderly manner on the entire peripheral surface 21a of the gravure roll 21. The backup roll 24 is arranged to face the gravure roll 21.
パン２６内の塗工液５中の炭素繊維１は、その繊維方向がランダムになるように塗工液５中に分散している。グラビアロール２１の周面２１ａの周方向の一部はパン２６内の塗工液５に漬けられている。 The carbon fibers 1 in the coating liquid 5 in the pan 26 are dispersed in the coating liquid 5 so that the fiber directions are random. A part of the circumferential surface 21 a of the gravure roll 21 in the circumferential direction is immersed in the coating liquid 5 in the pan 26.
図２に示したグラビア塗工装置２０では、巻出しロール２７ａから巻き出された金属箔１０の条材１０Ａは、グラビアロール２１とバックアップロール２４との間と、加熱乾燥装置としての乾燥炉２８内とを所定の送り速度で略水平方向に順次通過したのち巻取りロール２７ｂに巻き取られる。 In the gravure coating device 20 shown in FIG. 2, the strip material 10A of the metal foil 10 unwound from the unwinding roll 27a has a space between the gravure roll 21 and the backup roll 24 and a drying furnace 28 as a heating and drying device. After passing through the inside in a substantially horizontal direction at a predetermined feeding speed, it is wound up by a winding roll 27b.
金属箔１０の条材１０Ａの送り方向Ｆは金属箔１０の条材１０Ａの長手方向に設定されており、この送り方向Ｆに平行な方向がグラビア塗工装置２０（詳述するとグラビア塗工装置２０のグラビアロール２１）による金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａへの塗工液５の塗工方向（印刷方向）となる。 The feed direction F of the strip material 10A of the metal foil 10 is set to the longitudinal direction of the strip material 10A of the metal foil 10, and the direction parallel to this feed direction F is the gravure coating device 20 (specifically, the gravure coating device. The coating direction (printing direction) of the coating liquid 5 is applied to the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10 by the 20 gravure rolls 21).
本実施形態では、グラビアロール２１は金属箔１０の条材１０Ａの下側に金属箔１０の条材１０Ａをその幅方向の全体に亘って横断する態様にして配置されており、バックアップロール２４は金属箔１０の条材１０Ａの上側に金属箔１０の条材１０Ａをその幅方向の全体に亘って横断する態様にして配置されている。したがって、塗工液５が塗工される金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａとは、詳述すると金属箔１０の条材１０Ａの下表面である。 In the present embodiment, the gravure roll 21 is arranged below the strip 10A of the metal foil 10 in a manner to traverse the strip 10A of the metal foil 10 over the entire width direction thereof, and the backup roll 24 is The strip 10A of the metal foil 10 is arranged above the strip 10A of the metal foil 10 in such a manner as to traverse the strip 10A over the entire width direction. Therefore, the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10 on which the coating liquid 5 is applied is the lower surface of the strip 10A of the metal foil 10 in detail.
なお本発明では、塗工液５が塗工される金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａは、金属箔１０の条材１０Ａの下表面であることに限定されるものではなく、その他に例えば金属箔１０の条材１０Ａの上表面であっても良い。 In the present invention, the surface 10a of the strip material 10A of the metal foil 10 on which the coating liquid 5 is applied is not limited to being the lower surface of the strip material 10A of the metal foil 10, and in addition, for example, It may be the upper surface of the strip 10A of the metal foil 10.
塗工液５の塗工は、金属箔１０の条材１０Ａがグラビアロール２１とバックアップロール２４との間を通過する際に行われる。すなわち、グラビアロール２１が回転することにより、グラビアロール２１の周面２１ａにパン２６内の塗工液５が付着して各セル２２内に塗工液５が充填される。そして、グラビアロール２１の周面２１ａに付着した余分な塗工液５がドクターブレード（スクレーパ）２５により掻き取られ、その後、グラビアロール２１の周面２１ａが金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａに当接することにより、セル２２内の塗工液５が金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａに転移される。その結果、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ上にその全体に亘って、多数の網点１２から構成された炭素繊維層１１が形成される。これにより、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ上に炭素繊維層１１が形成されてなる塗工箔１４の条材１４Ａが得られる。なお網点１２は、転移したセル２２内の塗工液５からなる。 The coating of the coating liquid 5 is performed when the strip material 10A of the metal foil 10 passes between the gravure roll 21 and the backup roll 24. That is, as the gravure roll 21 rotates, the coating liquid 5 in the pan 26 adheres to the peripheral surface 21 a of the gravure roll 21 and each cell 22 is filled with the coating liquid 5. Then, the excess coating liquid 5 attached to the peripheral surface 21a of the gravure roll 21 is scraped off by the doctor blade (scraper) 25, and then the peripheral surface 21a of the gravure roll 21 is covered with the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10. The coating liquid 5 in the cell 22 is transferred to the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10 by abutting against. As a result, the carbon fiber layer 11 composed of a large number of halftone dots 12 is formed on the entire surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10 over the entire surface thereof. Thereby, the strip material 14A of the coating foil 14 in which the carbon fiber layer 11 is formed on the surface 10a of the strip material 10A of the metal foil 10 is obtained. The halftone dots 12 are composed of the coating liquid 5 in the transferred cells 22.
グラビアロール２１の回転方向は、通常、金属箔１０の条材１０Ａの送り方向Ｆと同じ方向に設定される。グラビアロール２１の周速度は、通常、金属箔１０の条材１０Ａの送り速度と等しく設定される。 The rotation direction of the gravure roll 21 is usually set to the same direction as the feeding direction F of the strip material 10A of the metal foil 10. The peripheral speed of the gravure roll 21 is usually set equal to the feed speed of the strip 10A of the metal foil 10.
乾燥炉２８は、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ上に形成された炭素繊維層１１（即ち塗工箔１４の条材１４Ａの炭素繊維層１１）を加熱乾燥することにより炭素繊維層１１に含まれている溶剤３を炭素繊維層１１から蒸発させて除去するためのものである。 The drying furnace 28 heat-drys the carbon fiber layer 11 (that is, the carbon fiber layer 11 of the strip material 14A of the coating foil 14) formed on the surface 10a of the strip material 10A of the metal foil 10 to heat and dry the carbon fiber layer 11. It is for evaporating and removing the solvent 3 contained in the carbon fiber layer 11.
グラビア塗工装置２０のグラビアロール２１において、セル２２の形状はカップ状であり、特に、セル２２の周囲が全周に亘って略閉鎖された形状であることが望ましい。具体的にはセル２２の形状は、格子型、ピラミッド型、亀甲型又は円型であることが望ましい。 In the gravure roll 21 of the gravure coating device 20, the shape of the cells 22 is cup-shaped, and it is particularly desirable that the circumference of the cells 22 is substantially closed over the entire circumference. Specifically, the shape of the cells 22 is preferably a lattice type, a pyramid type, a hexagonal type, or a circular type.
さらに、セル２２の底面の形状は限定されるものではなく、平坦状であっても良いし凹曲面状（例：凹球面状）であっても良いし凹錐面状（例：凹角錐面状、凹円錐面状）であっても良い。 Further, the shape of the bottom surface of the cell 22 is not limited, and may be flat, concave curved surface (eg concave spherical surface) or concave pyramidal surface (eg concave pyramid surface). Shape, concave conical surface shape).
セル２２の大きさについては、セル２２の口形状に内接する円（詳述するとセル２２の開口周縁に内接する円）の直径が炭素繊維１の平均繊維長よりも大きく設定されている。 Regarding the size of the cell 22, the diameter of the circle inscribed in the mouth shape of the cell 22 (specifically, the circle inscribed in the opening periphery of the cell 22) is set to be larger than the average fiber length of the carbon fiber 1.
炭素繊維１は繊維状の炭素粒子であれば使用可能であり、具体的には例えば、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維及びカーボンナノファイバー（例：気相成長カーボンファイバー、カーボンナノチューブ）からなる群より選択される１種の炭素繊維か又は２種以上の混合炭素繊維が用いられる。 The carbon fiber 1 can be used as long as it is a fibrous carbon particle, and specifically, for example, is made of PAN-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber and carbon nanofiber (eg, vapor-grown carbon fiber, carbon nanotube). One kind of carbon fiber selected from the group or two or more kinds of mixed carbon fibers are used.
炭素繊維１の長さは限定されるものではなく、特に炭素繊維１の平均繊維長が１ｍｍ以下であることが望ましい。 The length of the carbon fiber 1 is not limited, and the average fiber length of the carbon fiber 1 is particularly preferably 1 mm or less.
バインダー２は、炭素繊維１に金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａへの付着力を付与し、これにより炭素繊維層１１中の炭素繊維１が金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａから脱落するのを抑制するためのものである。本実施形態ではバインダー２は樹脂からなる。 The binder 2 gives the carbon fiber 1 an adhesive force to the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10, whereby the carbon fibers 1 in the carbon fiber layer 11 drop off from the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10. It is for suppressing the movement. In this embodiment, the binder 2 is made of resin.
さらに、バインダー２は、加熱すると有機物の焼結残渣又はアモルファス炭化物になり易く、これらはバインダー２の残渣として複合材１７の熱伝導率を低下させる要因になる。したがって、バインダー２は、非酸化雰囲気中にて３００℃〜５５０℃の温度で炭化せずに分解又は昇華などにより消失するものを用いることが望ましい。そのようなバインダー２として、アクリル系樹脂、ポリエチレングリコール系樹脂、ブチレンゴム樹脂、フェノール樹脂、セルロース系樹脂などが好適に使用される。これらのバインダー２は一般に常温で固形である。 Furthermore, the binder 2 easily becomes a sintering residue or an amorphous carbide of an organic substance when heated, and these become a factor of reducing the thermal conductivity of the composite material 17 as a residue of the binder 2. Therefore, it is desirable to use the binder 2 that disappears by decomposition or sublimation without carbonization at a temperature of 300 ° C. to 550 ° C. in a non-oxidizing atmosphere. As such a binder 2, acrylic resin, polyethylene glycol resin, butylene rubber resin, phenol resin, cellulose resin and the like are preferably used. These binders 2 are generally solid at room temperature.
溶剤３は、バインダー２を常温で溶解するものであることが望ましく、水、アルコール系溶剤、炭化水素系溶剤、エステル系溶剤、エーテル系溶剤などが好適に使用される。 The solvent 3 is preferably one that dissolves the binder 2 at room temperature, and water, alcohol solvents, hydrocarbon solvents, ester solvents, ether solvents and the like are preferably used.
塗工液５は、炭素繊維１とバインダー２を質量比で７５：２５〜９９．５：０．５の割合で含有していることが望ましい。この場合には、塗工箔１４を得る工程Ｓ１において炭素繊維１を金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａに確実に付着させることができるし、バインダー２を除去する工程Ｓ３ａにおいてバインダー２を確実に消失除去することができる。特に望ましくは、塗工液５は炭素繊維１とバインダー２を質量比で８０：２０〜９９：１の割合で含有していることが良い。 The coating liquid 5 preferably contains the carbon fibers 1 and the binder 2 in a mass ratio of 75:25 to 99.5: 0.5. In this case, the carbon fiber 1 can be surely attached to the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10 in the step S1 of obtaining the coating foil 14, and the binder 2 can be surely attached in the step S3a of removing the binder 2. Can be eliminated and eliminated. Particularly preferably, the coating liquid 5 preferably contains the carbon fibers 1 and the binder 2 in a mass ratio of 80:20 to 99: 1.
塗工箔１４を得る工程Ｓ１において、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａへの塗工液５の塗工量は限定されるものではなく、例えば、炭素繊維層１１に含まれる炭素繊維１の塗工量が４０ｇ／ｍ２以下（望ましくは３０ｇ／ｍ２以下）になるように設定される。 In the step S1 of obtaining the coating foil 14, the coating amount of the coating liquid 5 on the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10 is not limited, and for example, the carbon fiber 1 contained in the carbon fiber layer 11 may be used. The coating amount is set to 40 g / m 2 or less (desirably 30 g / m 2 or less).
また、得られる複合材１７において炭素繊維１の体積が複合材１７全体の体積に対して５０％以下になるように、塗工液５を金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａに塗工することが望ましく、これにより、塗工箔１４を焼結一体化する工程Ｓ３において金属箔１０の金属を炭素繊維層１１内に確実に浸透させることができて、塗工箔１４を確実に強固に焼結一体化することができる。 Further, in the obtained composite material 17, the coating liquid 5 is applied to the surface 10a of the strip material 10A of the metal foil 10 so that the volume of the carbon fibers 1 is 50% or less with respect to the volume of the entire composite material 17. It is desirable that the metal of the metal foil 10 can be surely permeated into the carbon fiber layer 11 in the step S3 of integrally sintering the coating foil 14, and the coating foil 14 can be surely strengthened. Sintering can be integrated.
さらに、金属箔１０がアルミニウム箔である場合、炭素繊維１の体積は複合材１７全体の体積に対して１０％以上であることが望ましく、これにより、複合材１７の熱伝導率を２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にすることができ、アルミニウムの熱伝導率（約２２５Ｗ／（ｍ・Ｋ））に対して確実に差別化を図り得る。 Furthermore, when the metal foil 10 is an aluminum foil, the volume of the carbon fibers 1 is preferably 10% or more with respect to the volume of the composite material 17 as a whole, and thus the thermal conductivity of the composite material 17 is 250 W / ( m / K) or more, and it is possible to reliably differentiate from the thermal conductivity of aluminum (about 225 W / (m · K)).
ここで、複合材１７が上述した絶縁基板の第１緩衝層の材料として用いられる場合には、複合材１７の平面方向の線膨張係数が絶縁セラミック層の線膨張係数と金属配線層（例：アルミニウム配線層、銅配線層）の線膨張係数との中間値になるように金属箔１０の体積と炭素繊維１の体積との比率を設定することが望ましい。また、複合材１７が上述した絶縁基板の第２緩衝層の材料として用いられる場合には、複合材１７の平面方向の線膨張係数が絶縁セラミック層の線膨張係数と金属冷却層（例：アルミニウム冷却層、銅冷却層）の線膨張係数との中間値になるように金属箔１０の体積と炭素繊維１の体積との比率を設定することが望ましい。 Here, when the composite material 17 is used as the material of the first buffer layer of the insulating substrate described above, the linear expansion coefficient of the composite material 17 in the plane direction is the linear expansion coefficient of the insulating ceramic layer and the metal wiring layer (for example: It is desirable to set the ratio between the volume of the metal foil 10 and the volume of the carbon fiber 1 so as to be an intermediate value between the linear expansion coefficient of the aluminum wiring layer, the copper wiring layer). When the composite material 17 is used as the material of the second buffer layer of the insulating substrate described above, the linear expansion coefficient of the composite material 17 in the planar direction is the linear expansion coefficient of the insulating ceramic layer and the metal cooling layer (eg, aluminum). It is desirable to set the ratio between the volume of the metal foil 10 and the volume of the carbon fiber 1 so as to be an intermediate value between the linear expansion coefficient of the cooling layer and the copper cooling layer).
金属箔１０が例えばアルミニウム箔である場合においては、特に、複合材１７の平面方向の線膨張係数を、絶縁セラミック層の材料としてよく使用されるセラミック（窒化アルミ、アルミナ、炭化ケイ素等）の線膨張係数（例：約３×１０-6／Ｋ〜約５×１０-6／Ｋ）と金属冷却層の材料としてよく使用されるアルミニウムの線膨張係数（約２３×１０-6／Ｋ）との中間値（約１０×１０-6／Ｋ〜約１６×１０-6／Ｋ）にするために、炭素繊維１の体積を複合材１７全体の体積に対して３０％〜６０％の範囲に設定することが望ましい。 When the metal foil 10 is, for example, an aluminum foil, in particular, the linear expansion coefficient of the composite material 17 in the plane direction is made of a ceramic (aluminum nitride, alumina, silicon carbide, etc.) wire that is often used as a material for the insulating ceramic layer. The coefficient of expansion (eg, about 3 × 10 −6 / K to about 5 × 10 −6 / K) and the coefficient of linear expansion of aluminum (about 23 × 10 −6 / K), which is often used as a material for metal cooling layers. In order to obtain an intermediate value (about 10 × 10 −6 / K to about 16 × 10 −6 / K), the volume of the carbon fiber 1 is set in the range of 30% to 60% with respect to the volume of the entire composite material 17. It is desirable to set.
金属箔１０（金属箔１０の条材１０Ａ）は、塗工に耐えうるものであればその材料に限定されるものではない。特に、金属箔１０はアルミニウム箔及び銅箔のうち少なくとも一方であることが望ましい。その理由は、高い熱伝導率を有する複合材１７を確実に得られるからである。 The metal foil 10 (the strip material 10A of the metal foil 10) is not limited to the material as long as it can withstand coating. Particularly, the metal foil 10 is preferably at least one of aluminum foil and copper foil. The reason is that the composite material 17 having high thermal conductivity can be reliably obtained.
金属箔１０がアルミニウム箔である場合において、アルミニウム箔の材料は限定されるものではなく、Ａ１０００系、Ａ３０００系、Ａ６０００系等が用いられる。一般に、アルミニウム箔の材料は、得られる複合材１７の物性（熱伝導率、線膨張係数、強度など）が所望する設定値になるように複数種のアルミニウム材料の中から適宜選択される。 When the metal foil 10 is an aluminum foil, the material of the aluminum foil is not limited, and A1000 series, A3000 series, A6000 series and the like are used. In general, the material of the aluminum foil is appropriately selected from a plurality of types of aluminum materials so that the physical properties (thermal conductivity, linear expansion coefficient, strength, etc.) of the obtained composite material 17 have desired set values.
金属箔１０が銅箔である場合において、銅箔の種類及び材料は限定されるものではなく、電解銅箔、圧延銅箔などが用いられる。一般に、銅箔の材料は、得られる複合材１７の物性が所望する設定値になるように複数種の銅材料の中から適宜選択される。 When the metal foil 10 is a copper foil, the type and material of the copper foil are not limited, and electrolytic copper foil, rolled copper foil, etc. are used. In general, the material of the copper foil is appropriately selected from a plurality of types of copper materials so that the physical properties of the resulting composite material 17 have desired set values.
金属箔１０の厚さは限定されるものではなく、得られる複合材１７の物性が所望する設定値になるように金属箔１０の厚さを選択可能である。 The thickness of the metal foil 10 is not limited, and the thickness of the metal foil 10 can be selected so that the physical properties of the obtained composite material 17 have desired set values.
ここで、市販されている金属箔１０（例：アルミニウム箔、銅箔）の最薄の厚さは６μｍであることから、金属箔１０の厚さの下限は６μｍであることが金属箔１０を容易に入手可能である点で特に望ましい。金属箔１０の厚さの上限は通常１００μｍであり、概ね５０μｍであることが望ましい。 Here, since the thinnest thickness of the commercially available metal foil 10 (eg, aluminum foil, copper foil) is 6 μm, the lower limit of the thickness of the metal foil 10 is 6 μm. It is particularly desirable because it is easily available. The upper limit of the thickness of the metal foil 10 is usually 100 μm, preferably about 50 μm.
炭素繊維層１１の乾燥は、図２に示すように、塗工箔１４の条材１４Ａが乾燥炉２８を通過する際に行われる。すなわち、塗工箔１４の条材１４Ａが乾燥炉２８を通過した時に炭素繊維層１１が乾燥炉２８により加熱されて乾燥され、これにより炭素繊維層１１に含まれている溶剤３が炭素繊維層１１から蒸発除去されるとともに炭素繊維層１１に含まれているバインダー２が硬化する。その後、塗工箔１４の条材１４Ａは巻取りロール２７ｂに巻き取られる。 As shown in FIG. 2, the carbon fiber layer 11 is dried when the strip material 14A of the coating foil 14 passes through the drying oven 28. That is, when the strip material 14A of the coating foil 14 passes through the drying oven 28, the carbon fiber layer 11 is heated and dried by the drying oven 28, whereby the solvent 3 contained in the carbon fiber layer 11 becomes the carbon fiber layer. The binder 2 contained in the carbon fiber layer 11 is hardened while being evaporated and removed from 11. Then, the strip material 14A of the coating foil 14 is wound up by the winding roll 27b.
乾燥条件は、炭素繊維層１１に含まれている溶剤３を炭素繊維層１１から蒸発除去可能な条件であれば限定されるものではなく、通常、乾燥温度６０℃〜２５０℃及び乾燥時間１ｍｉｎ〜１２０ｍｉｎの乾燥条件を適用可能である。 The drying condition is not limited as long as it can remove the solvent 3 contained in the carbon fiber layer 11 from the carbon fiber layer 11 by evaporation, and is usually a drying temperature of 60 ° C. to 250 ° C. and a drying time of 1 min to A drying condition of 120 min can be applied.
ここで本実施形態では、塗工箔１４を得る工程Ｓ１において、炭素繊維層１１が白抜け状態になるように塗工液５をグラビア塗工装置２０を用いたグラビア印刷法により塗工し、乾燥させる必要がある。この工程Ｓ１を図３Ａ及び図３Ｂを参照して以下に説明する。 Here, in this embodiment, in the step S1 of obtaining the coating foil 14, the coating liquid 5 is applied by the gravure printing method using the gravure coating apparatus 20 so that the carbon fiber layer 11 is in a blank state. Needs to be dried. This step S1 will be described below with reference to FIGS. 3A and 3B.
図３Ａは、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ上に形成される炭素繊維層１１の状態を時系列に示す、本実施形態の場合の概略断面図である。 FIG. 3A is a schematic cross-sectional view in the case of the present embodiment showing the state of the carbon fiber layer 11 formed on the surface 10a of the strip material 10A of the metal foil 10 in time series.
図３Ｂは、金属箔１１０の条材１１０Ａの表面１１０ａ上に形成される炭素繊維層１１１の状態を時系列に示す、参考形態の場合の概略断面図である。なお参考形態の場合とは、炭素繊維層１１１が白抜け状態にならないように塗工液５をグラビア印刷法により塗工し、乾燥させる場合を意味する。 FIG. 3B is a schematic cross-sectional view in the case of the reference embodiment showing the state of the carbon fiber layer 111 formed on the surface 110a of the strip material 110A of the metal foil 110 in time series. The case of the reference embodiment means a case where the coating liquid 5 is applied by the gravure printing method and dried so that the carbon fiber layer 111 does not become a blank state.
図３Ａ（ａ）及び図３Ｂ（ａ）は、それぞれ、グラビア塗工装置のグラビアロール２１、１２１の周面のセル２２、１２２の部分の概略断面図である。 3A (a) and FIG. 3B (a) are schematic cross-sectional views of the cells 22 and 122 on the peripheral surfaces of the gravure rolls 21 and 121 of the gravure coating apparatus, respectively.
図３Ａ（ｂ）及び図３Ｂ（ｂ）は、それぞれ、セル２２、１２２内に塗工液５が充填された状態の概略断面図である。 3A (b) and FIG. 3B (b) are schematic cross-sectional views of cells 22 and 122 filled with the coating liquid 5, respectively.
図３Ａ（ｃ）及び図３Ｂ（ｃ）は、それぞれ、グラビアロール２１、１２１の周面が金属箔１０、１１０の条材１０Ａ、１１０Ａの表面１０ａ、１１０ａに当接した状態の概略断面図である。 FIG. 3A (c) and FIG. 3B (c) are schematic cross-sectional views of a state in which the peripheral surfaces of the gravure rolls 21, 121 are in contact with the surfaces 10a, 110a of the strips 10A, 110A of the metal foils 10, 110, respectively. is there.
図３Ａ（ｄ）及び図３Ｂ（ｄ）は、それぞれ、セル２２、１２２内の塗工液５が金属箔１０、１１０の条材１０Ａ、１１０Ａの表面１０ａ、１１０ａに転移されることで炭素繊維層１１、１１１が形成された状態の概略断面図である。なお、これらの図では、金属箔１０、１１０の条材１０Ａ、１１０Ａは上下反転して示されている。 3A (d) and 3B (d) show that the coating liquid 5 in the cells 22 and 122 is transferred to the surfaces 10a and 110a of the strips 10A and 110A of the metal foils 10 and 110, respectively, so that the carbon fibers It is a schematic sectional drawing in the state where layers 11 and 111 were formed. In these figures, the strips 10A and 110A of the metal foils 10 and 110 are shown upside down.
図３Ａ（ｅ１）〜（ｅ３）は、それぞれ、実施形態の場合において、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ上の炭素繊維層１１を加熱乾燥した初期状態、中期状態及び後期状態の概略断面図である。図３Ｂ（ｅ）は、参考形態の場合において、金属箔１１０の条材１１０Ａの表面１１０ａ上の炭素繊維層１１１を加熱乾燥した状態の概略断面図である。 3A (e1) to (e3) are schematic cross-sections of an initial state, a middle state, and a late state in which the carbon fiber layer 11 on the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10 is heated and dried in the case of the embodiment, respectively. It is a figure. FIG. 3B (e) is a schematic cross-sectional view showing a state in which the carbon fiber layer 111 on the surface 110a of the strip 110A of the metal foil 110 is heated and dried in the case of the reference embodiment.
まず、図３Ｂに示した参考形態の場合（すなわち、炭素繊維層１１０が白抜け状態にならないように塗工液５をグラビア印刷法により塗工し、乾燥させる場合）について以下に説明する。 First, the case of the reference embodiment shown in FIG. 3B (that is, the case where the coating liquid 5 is applied by the gravure printing method and dried so that the carbon fiber layer 110 is not in a blank state) will be described below.
図３Ｂ（ａ）及び（ｂ）に示すように、グラビアロール１２１のセル１２２内に塗工液５が充填された状態では、セル１２２内の塗工液５の表面は平坦状であり且つセル隔壁１２３の表面１２３ａと略面一に連なっている。この状態で図３Ｂ（ｃ）に示すようにグラビアロール１２１の周面（詳述するとセル隔壁１２３の表面１２３ａ）が金属箔１１０の条材１１０Ａの表面１１０ａに当接して各セル１２２内の塗工液５が転移されると、図３Ｂ（ｄ）に示すように金属箔１１０の条材１１０Ａの表面１１０ａ上に多数の網点１１２から構成された炭素繊維層１１１が形成される。網点１１２は、上述したように転移したセル１２２内の塗工液５からなり多数の炭素繊維（図示せず）、バインダー及び溶剤を含んでいる。そして、炭素繊維層１１１が乾燥炉によって加熱乾燥されることにより、炭素繊維層１１１から溶剤が蒸発除去されるとともに炭素繊維層１１１中のバインダーが硬化する。この乾燥の工程では、図３Ｂ（ｅ）に示すように、炭素繊維層１１１を構成する各網点１１２の形状は殆ど変化せず、炭素繊維層１１１は白抜け状態になっていない。 As shown in FIGS. 3B and 3B, when the cells 122 of the gravure roll 121 are filled with the coating liquid 5, the surface of the coating liquid 5 in the cells 122 is flat and It is substantially flush with the surface 123 a of the partition wall 123. In this state, as shown in FIG. 3B (c), the peripheral surface of the gravure roll 121 (specifically, the surface 123a of the cell partition wall 123) comes into contact with the surface 110a of the strip material 110A of the metal foil 110 and the coating inside each cell 122 is performed. When the working liquid 5 is transferred, as shown in FIG. 3B (d), a carbon fiber layer 111 composed of a large number of dots 112 is formed on the surface 110a of the strip 110A of the metal foil 110. The halftone dots 112 consist of the coating liquid 5 in the cells 122 that have been transferred as described above, and contain a large number of carbon fibers (not shown), a binder and a solvent. Then, by heating and drying the carbon fiber layer 111 in a drying furnace, the solvent is evaporated and removed from the carbon fiber layer 111, and the binder in the carbon fiber layer 111 is cured. In this drying step, as shown in FIG. 3B (e), the shape of each halftone dot 112 constituting the carbon fiber layer 111 hardly changes, and the carbon fiber layer 111 is not in a blank state.
次に、図３Ａに示した本実施形態の場合（すなわち、炭素繊維層１１が白抜け状態になるように塗工液５をグラビア印刷法により塗工し、乾燥させる場合）について以下に説明する。 Next, the case of the present embodiment shown in FIG. 3A (that is, the case where the coating liquid 5 is applied by the gravure printing method and dried so that the carbon fiber layer 11 is in a blank state) will be described below. ..
炭素繊維層１１が確実に白抜け状態になるようにするためには、グラビアロール２１のセル２２を大きく設定すること、及び／又は、塗工液５の粘度を小さく設定することが望ましい。 In order to ensure that the carbon fiber layer 11 is in a blank state, it is desirable to set the cells 22 of the gravure roll 21 large and / or to set the viscosity of the coating liquid 5 small.
そこで、図３Ａ（ａ）に示すように、グラビアロールとして、各セル２２の開口径（詳述すると各セル２２の開口周縁に内接する円の直径）が大きなグラビアロール２１が用いられている。そして、図３Ａ（ｂ）に示すように、粘度の小さな塗工液５がグラビアロール２１の各セル２２内に充填されており、そのため、各セル２２内の塗工液５の表面はその中央部が凹んだ状態になっている。 Therefore, as shown in FIG. 3A (a), a gravure roll 21 having a large opening diameter of each cell 22 (specifically, a diameter of a circle inscribed in an opening peripheral edge of each cell 22) is used as the gravure roll. Then, as shown in FIG. 3A (b), the coating liquid 5 having a small viscosity is filled in each cell 22 of the gravure roll 21, and therefore the surface of the coating liquid 5 in each cell 22 is at the center thereof. The part is dented.
この状態でグラビアロール２１の周面（詳述するとセル隔壁２３の表面２３ａ）が金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａに当接すると、図３Ａ（ｃ）に示すように各セル２２内の塗工液５の表面の中央部と金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａとの間に気泡１３が生じる。そして、各セル２２内の塗工液５が金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａに転移すると、図３Ａ（ｄ）に示すように金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ上の各網点１２は、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａとの接触部の中央部に気泡１３を巻き込んだ状態になる。 When the peripheral surface of the gravure roll 21 (specifically, the surface 23a of the cell partition wall 23) comes into contact with the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10 in this state, as shown in FIG. Bubbles 13 are generated between the central portion of the surface of the coating liquid 5 and the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10. When the coating liquid 5 in each cell 22 is transferred to the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10, each halftone dot on the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10 as shown in FIG. 3A (d). 12 is in a state in which bubbles 13 are caught in the central portion of the contact portion of the metal foil 10 with the surface 10a of the strip 10A.
この状態で炭素繊維層１１が加熱乾燥されると、図３Ａ（ｅ１）に示すように炭素繊維層１１から溶剤が蒸発除去されるとともに各網点１２内の気泡１３がはじけて各網点１２の表面の中心部に凹状の気泡はじけ部１３ａが形成される。そして、炭素繊維層１１の加熱乾燥が進むにつれて図３Ａ（ｅ２）に示すように各網点１２の気泡はじけ部１３ａは網点１２の中心部から網点１２中の多数の炭素繊維（図示せず）を外側へ押し出しながら広がり、最終的に図３Ａ（ｅ３）に示すように各網点１２の中心部に略円形の気泡はじけ部１３ａが形成される。その結果、図４に示すように、各網点１２中の多数の炭素繊維１は、気泡はじけ部１３ａの周囲（即ち網点１２の外周部）に該気泡はじけ部１３ａを包囲する方向（即ち網点１２の周方向）に略円環状（略年輪状）に配列する。そしてこの配列状態で各網点１２中のバインダーが硬化する。 When the carbon fiber layer 11 is heated and dried in this state, the solvent is evaporated and removed from the carbon fiber layer 11 as shown in FIG. A concave bubble repelling portion 13a is formed at the center of the surface of the. Then, as the heating and drying of the carbon fiber layer 11 progresses, as shown in FIG. 3) (e3), a substantially circular bubble repelling portion 13a is finally formed at the center of each halftone dot 12 as shown in FIG. 3A (e3). As a result, as shown in FIG. 4, a large number of carbon fibers 1 in each halftone dot 12 surround the bubble burst portion 13a (that is, the outer peripheral portion of the halftone dot 12) in the direction surrounding the bubble burst portion 13a (that is, The dots are arranged in a substantially annular shape (around an annual ring shape) in the circumferential direction of the halftone dots 12. Then, the binder in each halftone dot 12 is cured in this array state.
同図に示すように、各網点１２において、網点１２の中心部には気泡はじけ部１３ａが形成されることで炭素繊維１は殆ど存在しておらず、また多数の炭素繊維１は気泡はじけ部１３ａの周囲に該気泡はじけ部１３ａを包囲する方向に略円環状に配列していることから、網点１２を顕微鏡で拡大観察すると網点１２は恰もバームクーヘンのように見える。 As shown in the figure, in each halftone dot 12, the bubble repellent portion 13a is formed at the center of the halftone dot 12, so that the carbon fiber 1 is almost absent, and a large number of carbon fibers 1 are Since the bubbles are arranged in a substantially annular shape around the burr 13a in a direction surrounding the burr 13a, the dot 12 looks like a Baumkuchen when magnified and observed with a microscope.
各セル２２の開口径は数ミリ程度であり、網点１２の気泡はじけ部１３ａの直径はセル２２の開口径よりも若干小さいか又は同程度である。そして、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ上において、網点１２中の多数の炭素繊維１は、多数の網点１２ごとに上述したように気泡はじけ部１３ａの周囲に略円環状に配列していることから、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ全体では炭素繊維１は多数の小さな水玉模様を形成するように配列する（後述する実施例及び図１０参照）。その結果、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ全体では炭素繊維１の配向度が低下する。 The opening diameter of each cell 22 is about several millimeters, and the diameter of the bubble repelling portion 13a of the halftone dot 12 is slightly smaller than or about the same as the opening diameter of the cell 22. Then, on the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10, the large number of carbon fibers 1 in the halftone dots 12 are arranged in a substantially annular shape around the bubble popping portion 13a as described above for each large number of halftone dots 12. Therefore, the carbon fibers 1 are arranged so as to form a large number of small polka dots on the entire surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10 (see Examples and FIG. 10 described later). As a result, the degree of orientation of the carbon fibers 1 decreases on the entire surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10.
そして、このような炭素繊維１の配向状態で塗工箔１４の条材１４Ａが乾燥炉２８から出てきて巻取りロール２７ｂに巻き取られる。 Then, the strip material 14A of the coating foil 14 in such an oriented state of the carbon fibers 1 emerges from the drying furnace 28 and is wound up by the winding roll 27b.
＜積層体１５を形成する工程Ｓ２＞
積層体１５を形成する工程Ｓ２では、図５に示すように、巻取りロール２７ｂから巻き解かれた塗工箔１４の条材１４Ａを切断機２９により所定形状に切断する。これにより、塗工箔１４の条材１４Ａから所定形状（例：略四角形状）の塗工箔１４を複数切り出す。そして、図６に示すように、塗工箔１４を複数積層することにより、塗工箔１４が複数積層された状態の積層体１５を形成する。あるいは、図示していないが巻取りロール２７ｂから巻き解かれた塗工箔１４の条材１４Ａをロール状に巻くことにより、塗工箔１４が複数積層された状態の積層体を形成しても良い。
<Step S2 of forming laminated body 15>
In step S2 of forming the laminated body 15, as shown in FIG. 5, the strip material 14A of the coating foil 14 unwound from the winding roll 27b is cut into a predetermined shape by a cutting machine 29. As a result, a plurality of coating foils 14 each having a predetermined shape (eg, a substantially square shape) are cut out from the strip material 14A of the coating foil 14. Then, as shown in FIG. 6, by laminating a plurality of coating foils 14, a laminated body 15 in a state in which a plurality of coating foils 14 are laminated is formed. Alternatively, although not shown, the strip 14A of the coating foil 14 unwound from the winding roll 27b may be wound into a roll to form a laminated body in which a plurality of coating foils 14 are laminated. good.
塗工箔１４の条材１４Ａの切断方法は限定されるものではないが、塗工箔１４の条材１４Ａの塗工面を傷つけることなく切断できる方法であることが望ましい。 The method for cutting the strip material 14A of the coating foil 14 is not limited, but it is desirable to use a method capable of cutting the strip material 14A of the coating foil 14 without damaging the coated surface of the strip material 14A.
こうして形成された積層体１５はプリフォーム（焼結素材）として用いられる。 The laminated body 15 thus formed is used as a preform (sintering material).
塗工箔１４の積層枚数は限定されるものではなく、所望する複合材１７の厚さなどに応じて設定され、例えば５〜１０００枚に設定される。 The number of laminated coating foils 14 is not limited, and is set according to the desired thickness of the composite material 17, for example, 5 to 1000.
＜塗工箔１４を焼結一体化する工程Ｓ３＞
塗工箔１４を焼結一体化する工程Ｓ３では、図７に示すように、加圧加熱焼結装置などの焼結装置（接合装置）３０の焼結室３１内に積層体１５を配置し、そして焼結装置３０によって所定の焼結雰囲気中にて積層体１５を塗工箔１４の積層方向（即ち積層体１５の厚さ方向）に加圧しながら所定の焼結温度で加熱することにより積層体１５を焼結し即ち塗工箔１４を焼結一体化する。これにより、図８に示すように本実施形態の複合材１７が得られる。
<Step S3 of sintering and integrating the coating foil 14>
In the step S3 of sintering the coating foil 14 integrally, as shown in FIG. 7, the laminated body 15 is placed in the sintering chamber 31 of a sintering device (bonding device) 30 such as a pressure heating sintering device. By heating the laminate 15 in the predetermined sintering atmosphere by the sintering device 30 in the lamination direction of the coating foil 14 (that is, the thickness direction of the laminate 15) while heating it at a predetermined sintering temperature. The laminated body 15 is sintered, that is, the coating foil 14 is sintered and integrated. As a result, the composite material 17 of the present embodiment is obtained as shown in FIG.
この工程Ｓ３では、積層体１５が加圧加熱されることにより、炭素繊維層１１がその厚さ方向に圧縮されるとともに金属箔１０の金属の一部が炭素繊維層１１内に浸透して炭素繊維層１１内に存在する微細な空隙（例：炭素繊維層１１中の炭素繊維１間の隙間）に充填されて、当該空隙が略消滅する。これにより、得られる複合材１７の密度を複合材１７の理論密度の９５％以上にすることができる。 In this step S3, by heating the laminate 15 under pressure, the carbon fiber layer 11 is compressed in the thickness direction thereof, and at the same time, a part of the metal of the metal foil 10 permeates into the carbon fiber layer 11 to form carbon. The minute voids existing in the fiber layer 11 (eg, gaps between the carbon fibers 1 in the carbon fiber layer 11) are filled and the voids almost disappear. Thereby, the density of the obtained composite material 17 can be 95% or more of the theoretical density of the composite material 17.
なお、複合材１７の理論密度とは、複合材１７が金属箔１０の金属と炭素繊維１とだけで形成されており且つ複合材１７の内部に空隙が全く存在しない場合における複合材１７の密度を意味する。 The theoretical density of the composite material 17 is the density of the composite material 17 in the case where the composite material 17 is formed only of the metal of the metal foil 10 and the carbon fibers 1 and there are no voids inside the composite material 17. Means
焼結装置３０としては、ホットプレス装置、放電プラズマ焼結装置などが好適に用いられる。ホットプレス装置を用いる場合は、真空ホットプレスや窒素置換を行ったホットプレスにより焼結が行われる。 As the sintering device 30, a hot press device, a spark plasma sintering device, or the like is preferably used. When a hot press machine is used, sintering is performed by vacuum hot press or hot press with nitrogen substitution.
積層体１５への加圧は、例えば、焼結装置３０に備えられた一対のパンチ３２、３２で積層体１５を挟んで加圧することにより行われる。 The pressure applied to the laminated body 15 is performed, for example, by sandwiching the laminated body 15 with a pair of punches 32 provided in the sintering device 30 and applying pressure.
焼結雰囲気は非酸化雰囲気であることが望ましい。非酸化雰囲気は、不活性ガス雰囲気（例：窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気）、真空雰囲気などを含む。 The sintering atmosphere is preferably a non-oxidizing atmosphere. The non-oxidizing atmosphere includes an inert gas atmosphere (eg, nitrogen gas atmosphere, argon gas atmosphere), a vacuum atmosphere, and the like.
焼結温度とは、塗工箔１４を焼結一体化（接合一体化）する温度を意味する。具体的には焼結温度は、金属箔１０の金属の融点以下の温度に設定され、特に、金属箔１０の金属の融点と当該融点よりも５０℃程度低い温度との間の温度に設定されることが塗工箔１４を確実に良好に焼結一体化できる点で望ましい。金属箔１０が例えばアルミニウム箔である場合、焼結温度は５５０℃〜６２０℃の範囲に設定されることが望ましい。 The sintering temperature means a temperature at which the coating foil 14 is sintered and integrated (joined and integrated). Specifically, the sintering temperature is set to a temperature equal to or lower than the melting point of the metal of the metal foil 10, and particularly set to a temperature between the melting point of the metal of the metal foil 10 and a temperature about 50 ° C. lower than the melting point. It is desirable that the coating foil 14 can be reliably sintered and integrated well. When the metal foil 10 is, for example, an aluminum foil, the sintering temperature is preferably set in the range of 550 ° C to 620 ° C.
積層体１５への加圧力は限定されるものではなく、積層体１５を軽く押圧する程度の加圧力でも良い。さらに、積層体１５への加熱時に積層体１５を加圧すると金属箔１０の金属の流動性が向上することがあるので、積層体１５への加圧により金属箔１０の金属が積層体１５から流れ出ない程度の加圧力で加圧するか、あるいは金属箔１０の金属が積層体１５から流れ出ないように金型（図示せず）内で積層体１５を加圧することが特に望ましい。 The pressure applied to the laminated body 15 is not limited, and may be a pressure that lightly presses the laminated body 15. Further, when the laminated body 15 is pressed when the laminated body 15 is heated, the fluidity of the metal of the metal foil 10 may be improved, so that the metal of the metal foil 10 is removed from the laminated body 15 by the pressure applied to the laminated body 15. It is particularly desirable to apply pressure with a pressure that does not flow out, or to press the laminated body 15 in a mold (not shown) so that the metal of the metal foil 10 does not flow out of the laminated body 15.
もし塗工箔１４間に空隙が残った状態で塗工箔１４が焼結一体化されると、当該空隙の部分が複合材１７の内部欠陥になる。そこで、この欠陥の発生を抑制するため、積層体１５を焼結雰囲気として真空雰囲気中にて加圧すること又は／及び積層体１５を金型内にて加圧することが望ましい。 If the coating foils 14 are sintered and integrated in a state where voids remain between the coating foils 14, the voids become internal defects of the composite material 17. Therefore, in order to suppress the occurrence of this defect, it is desirable to press the laminated body 15 in a vacuum atmosphere as a sintering atmosphere and / or to press the laminated body 15 in a mold.
本実施形態では、バインダー２の分解温度は焼結温度よりも低く、バインダー２を除去する工程Ｓ３ａは、焼結装置３０により塗工箔１４を焼結一体化する工程Ｓ３における積層体１５を初期温度としての約室温から焼結温度まで加熱する途中で焼結装置３０により行われる。 In the present embodiment, the decomposition temperature of the binder 2 is lower than the sintering temperature, and the step S3a of removing the binder 2 is the initial step of the laminated body 15 in the step S3 of integrally sintering the coating foil 14 by the sintering device 30. This is performed by the sintering device 30 while heating from about room temperature as a temperature to the sintering temperature.
すなわち、塗工箔１４を焼結一体化する工程Ｓ３では、積層体１５の温度が約室温から焼結温度まで上昇するように焼結装置３０により積層体１５を加熱する途中における積層体１５の温度がバインダー２の分解温度である時に、バインダー２が分解して積層体１５（詳述すると積層体１５の各塗工箔１４の炭素繊維層１１）から除去される。 That is, in the step S3 of integrally sintering the coating foil 14, the temperature of the laminate 15 is increased from about room temperature to the sintering temperature. When the temperature is the decomposition temperature of the binder 2, the binder 2 decomposes and is removed from the laminate 15 (specifically, the carbon fiber layer 11 of each coating foil 14 of the laminate 15).
このバインダー除去方法について具体的に説明すると次のとおりである。 The method for removing the binder will be described in detail below.
積層体１５を例えば真空雰囲気中にて焼結する場合、積層体１５を略室温から焼結温度まで加熱する際の昇温速度を５０℃／ｍｉｎ以下に設定することにより、バインダー２を確実に分解除去することができる。ここで、積層体１５に含まれているバインダー２の全量が多かったり、積層体１５のサイズが大きかったりする場合などにおいては、積層体１５の温度がバインダー２の分解温度である時に昇温を一旦停止したり昇温速度を緩やかにしたりすることにより、バインダー２の除去を確実に行うようにすることも可能である。 When the laminated body 15 is sintered in, for example, a vacuum atmosphere, the binder 2 is surely set by setting the rate of temperature rise when heating the laminated body 15 from approximately room temperature to the sintering temperature to 50 ° C./min or less. It can be removed by decomposition. Here, in the case where the total amount of the binder 2 contained in the laminated body 15 is large or the size of the laminated body 15 is large, the temperature is raised when the temperature of the laminated body 15 is the decomposition temperature of the binder 2. It is also possible to surely remove the binder 2 by temporarily stopping or slowing the temperature rising rate.
このように、バインダー２を除去する工程Ｓ３ａを、塗工箔１４を焼結一体化する工程Ｓ３における積層体１５を焼結温度まで加熱する途中で行うことにより、複合材１７の製造工程数を削減することができて複合材１７の製造を容易に行える。 As described above, the step S3a of removing the binder 2 is performed during the heating of the laminated body 15 to the sintering temperature in the step S3 of integrally sintering the coating foil 14, thereby reducing the number of manufacturing steps of the composite material 17. The number can be reduced and the composite material 17 can be easily manufactured.
なお本発明は、バインダー２を除去する工程Ｓ３ａが、焼結装置３０により塗工箔１４を焼結一体化（接合一体化）する工程Ｓ３から独立して行われることを排除するものではない。この場合、バインダー２を除去する工程Ｓ３ａは、積層体１５を形成する工程Ｓ２の後であって且つ塗工箔１４を焼結一体化（接合一体化）する工程Ｓ３の前に行われることが望ましい。 The present invention does not exclude that the step S3a of removing the binder 2 is performed independently of the step S3 of integrally sintering (joining and integrating) the coating foil 14 by the sintering device 30. In this case, the step S3a of removing the binder 2 may be performed after the step S2 of forming the laminated body 15 and before the step S3 of integrally sintering (joining and integrating) the coating foil 14. desirable.
本実施形態の複合材１７の製造方法には次の利点ある。 The method of manufacturing the composite material 17 of this embodiment has the following advantages.
塗工箔１４を得る工程Ｓ１では、炭素繊維層１１が白抜け状態になるように塗工液５をグラビア塗工装置２０を用いてグラビア印刷法により塗工し、乾燥させるので、乾燥後の金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ上において、炭素繊維層１１を構成する各網点１２中の多数の炭素繊維１は、図３Ａ（ｅ３）及び図４に示すように、網点１２の中心部に形成された気泡はじけ部１３ａの周囲に該気泡はじけ部１３ａを包囲する方向に略円環状（略年輪状）に配列する。このような炭素繊維１の略円環状配列が金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ上に存在する多数の網点１２それぞれに生じている。その結果、金属箔１０の条材１０Ａの表面１０ａ全体では炭素繊維１の繊維方向が乱雑な状態になり炭素繊維１の配向度が低下する。そのため、複合材１７の平面方向の物性（熱伝導率、線膨張係数、強度など）の均一化を図ることができる。 In the step S1 of obtaining the coating foil 14, the coating liquid 5 is applied by the gravure printing method using the gravure coating device 20 so that the carbon fiber layer 11 is in a blank state, and is dried. On the surface 10a of the strip material 10A of the metal foil 10, a large number of carbon fibers 1 in each halftone dot 12 forming the carbon fiber layer 11 are, as shown in FIG. 3A (e3) and FIG. Around the bubble repelling portion 13a formed in the central portion, the bubble repelling portions 13a are arranged in a substantially annular shape (substantially annual ring shape) in a direction surrounding the bubble repelling portion 13a. Such a substantially annular array of carbon fibers 1 is formed on each of a large number of halftone dots 12 existing on the surface 10a of the strip 10A of the metal foil 10. As a result, in the entire surface 10a of the strip material 10A of the metal foil 10, the fiber directions of the carbon fibers 1 become disordered, and the degree of orientation of the carbon fibers 1 decreases. Therefore, the physical properties (thermal conductivity, linear expansion coefficient, strength, etc.) of the composite material 17 in the planar direction can be made uniform.
しかも、積層体１５を形成する際に炭素繊維１の繊維方向を考慮する必要がなく、これにより、複合材１７の平面方向の物性の均一化を容易に図ることができる。 Moreover, it is not necessary to consider the fiber direction of the carbon fibers 1 when forming the laminated body 15, and thus the physical properties of the composite material 17 in the planar direction can be easily made uniform.
以上で本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々に変更可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
また本発明では、塗工箔を得る工程において塗工液が塗工される金属箔は、上記実施形態で示したような金属箔の条材であることが望ましいが、これに限定されるものではなく、その他に例えば条材状ではない金属箔（例：予め設定された長さ寸法及び幅寸法を有する略方形状の金属箔）であっても良い。 Further, in the present invention, the metal foil to which the coating liquid is applied in the step of obtaining the coating foil is preferably a strip of metal foil as shown in the above embodiment, but is not limited thereto. Instead, it may be, for example, a metal foil that is not in the form of a strip (eg, a substantially rectangular metal foil having preset length and width dimensions).
次に、本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。ただし、本発明は以下に示した実施例に限定されるものではない。 Next, specific examples and comparative examples of the present invention will be shown below. However, the present invention is not limited to the examples shown below.
＜実施例＞
本実施例では、アルミニウムと炭素繊維との複合材を次の手順で製造した。
<Example>
In this example, a composite material of aluminum and carbon fiber was manufactured by the following procedure.
平均繊維長１５０μｍ及び平均繊維直径１０μｍの炭素繊維（日本グラファイトファイバー（株）製：ＸＮ−１００）と、バインダーとして平均分子量７０万のポリエチレンオキサイド（明成化学工業（株）製：アルコックス（登録商標）Ｅ−４５）の３質量％水溶液と、溶剤としてメタノールと、水と、分散剤と、表面調整剤とを撹拌混合し、これにより塗工液を調製した。塗工液に含まれるバインダーの質量は炭素繊維の質量に対して固形分で３％であった。また、塗工液の粘度は２５℃で３００ｍＰａ・ｓであった。 Carbon fiber having an average fiber length of 150 μm and average fiber diameter of 10 μm (Nippon Graphite Fiber Co., Ltd .: XN-100) and polyethylene oxide having an average molecular weight of 700,000 as a binder (Meisei Chemical Industry Co., Ltd .: Alcox (registered trademark) ) A 3% by mass aqueous solution of E-45), methanol as a solvent, water, a dispersant, and a surface conditioner were mixed with stirring to prepare a coating liquid. The mass of the binder contained in the coating liquid was 3% in terms of solid content with respect to the mass of the carbon fibers. The viscosity of the coating liquid was 300 mPa · s at 25 ° C.
厚さ２０μｍ及び幅２８０ｍｍのアルミニウム箔（その材質：Ａ１Ｎ３０）の帯状条材の表面にその全体に亘って塗工液をグラビアコーターを用いたグラビア印刷法により塗工し、これにより、アルミニウム箔の条材の表面上に炭素繊維層が形成されてなる塗工箔の条材を得た。そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させて加熱乾燥させることにより炭素繊維層から溶剤を蒸発除去した。炭素繊維層から溶剤を除去した後の炭素繊維層に含まれる炭素繊維の塗工量は３０ｇ／ｍ２であった。 A coating solution is applied over the entire surface of a strip-shaped strip of aluminum foil having a thickness of 20 μm and a width of 280 mm (its material: A1N30) by a gravure printing method using a gravure coater, whereby the aluminum foil A coated foil strip having a carbon fiber layer formed on the surface of the strip was obtained. And the solvent of the carbon fiber layer was removed by evaporation by passing the strip material of the coated foil through a drying oven and heating and drying. The coating amount of the carbon fibers contained in the carbon fiber layer after removing the solvent from the carbon fiber layer was 30 g / m 2 .
塗工に使用したグラビアコーターに備えられたグラビアロールの周面のメッシュは＃１５、セルの形状は格子型であった。 The mesh on the peripheral surface of the gravure roll provided in the gravure coater used for coating was # 15, and the cell shape was a lattice type.
図１０は、こうして得られた塗工箔の条材の表面の顕微鏡写真である。金属箔の条材の表面において、炭素繊維層を構成する各網点中の多数の炭素繊維は、網点の中心部に形成された気泡はじけ部の周囲に該気泡はじけ部を包囲する方向に略円環状（略年輪状）に配列しており、このような炭素繊維の略円環状配列が金属箔の条材の表面上に存在する多数の網点それぞれに生じていた。 FIG. 10 is a micrograph of the surface of the strip of coated foil thus obtained. The surface of the strip material of the metal foil, a direction surrounding the majority of carbon fibers, bubble Haji only parts around the bubble burst portion formed in the center of the halftone dots in each halftone dots constituting the carbon fiber layer The carbon fibers are arranged in a substantially annular shape (around an annual ring shape), and such a substantially annular arrangement of carbon fibers occurs in each of a large number of halftone dots existing on the surface of the strip material of the metal foil.
次いで、塗工箔の条材を正方形状（その寸法：縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ）に切断し、これにより塗工箔の条材から正方形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を２００枚積層することで積層体を形成した。 Then, the strip material of the coating foil was cut into a square shape (its size: 50 mm length × 50 mm width), and a plurality of square coating foil sheets were cut out from the strip material of the coating foil. And the laminated body was formed by laminating 200 sheets of coating foil.
次いで、加圧加熱焼結装置としての放電プラズマ焼結装置により真空雰囲気中にて積層体を塗工箔の積層方向に加圧しながら所定の焼結温度で加熱することにより積層体を焼結し即ち塗工箔を焼結一体化し、これによりアルミニウムと炭素繊維との複合材を得た。複合材の厚さは４ｍｍであった。 Next, the laminated body is sintered by heating at a predetermined sintering temperature while pressing the laminated body in the stacking direction of the coating foil in a vacuum atmosphere by a discharge plasma sintering apparatus as a pressure heating and sintering apparatus. That is, the coating foil was sintered and integrated to obtain a composite material of aluminum and carbon fiber. The composite material had a thickness of 4 mm.
この焼結に適用した焼結条件は、焼結温度５５０℃、焼結温度の保持時間（焼結時間）３ｈ、真空度５Ｐａであった。 The sintering conditions applied to this sintering were a sintering temperature of 550 ° C., a sintering temperature holding time (sintering time) of 3 hours, and a vacuum degree of 5 Pa.
また、このように塗工箔を焼結一体化した工程において、積層体を室温から焼結温度まで加熱する途中で積層体からバインダーを除去した。 In addition, in the step of sintering and integrating the coating foil in this way, the binder was removed from the laminate while heating the laminate from room temperature to the sintering temperature.
得られた複合材は、アルミニウム箔から形成されたアルミニウム層と炭素繊維層とが交互に複数積層された状態になっており、更に、炭素繊維層内にアルミニウムが十分に浸透して炭素繊維層内に空隙が殆ど存在しておらず、複合材の密度は複合材の理論密度の９９％であった。 The obtained composite material is in a state in which a plurality of aluminum layers and carbon fiber layers formed from an aluminum foil are alternately laminated, and further, aluminum is sufficiently permeated into the carbon fiber layers to form the carbon fiber layers. There were almost no voids inside, and the density of the composite material was 99% of the theoretical density of the composite material.
また、複合材１７の長さ方向Ａ、幅方向Ｂ及び厚さ方向Ｃにおける熱伝導率と線膨張係数をそれぞれ測定した（図９参照）。その結果、複合材１７の長さ方向Ａの熱伝導率は２８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、線膨張係数は６×１０-6／Ｋであり、複合材１７の幅方向Ｂの熱伝導率は２８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、線膨張係数は６×１０-6／Ｋであり、複合材１７の厚さ方向Ｃの熱伝導率は１０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、線膨張係数は２２×１０-6／Ｋであった。したがって、複合材１７の長さ方向Ａの熱伝導率と幅方向Ｂの熱伝導率は互いに等しかった。 Further, the thermal conductivity and the linear expansion coefficient of the composite material 17 in the length direction A, the width direction B, and the thickness direction C were measured (see FIG. 9). As a result, the thermal conductivity of the composite material 17 in the length direction A is 280 W / (m · K), the linear expansion coefficient is 6 × 10 −6 / K, and the thermal conductivity of the composite material 17 in the width direction B is 280 W / (m · K), the linear expansion coefficient is 6 × 10 −6 / K, the thermal conductivity of the composite material 17 in the thickness direction C is 105 W / (m · K), and the linear expansion coefficient is 22 × 10. -6 / K. Therefore, the thermal conductivity of the composite material 17 in the length direction A and the thermal conductivity of the width direction B were equal to each other.
ここで、図９に示すように、上述した複合材１７の長さ方向Ａとは、グラビアコーターによる金属箔の条材の表面への塗工液の塗工方向Ｐと平行な方向であり、複合材の幅方向Ｂとは、複合材１７の平面内における複合材の長さ方向Ａに対して直角方向である。複合材１７の厚さ方向Ｃは塗工箔の積層方向と一致している。 Here, as shown in FIG. 9, the length direction A of the composite material 17 described above is a direction parallel to the coating direction P of the coating liquid on the surface of the metal foil strip material by the gravure coater, The width direction B of the composite material is a direction perpendicular to the length direction A of the composite material in the plane of the composite material 17. The thickness direction C of the composite material 17 coincides with the laminating direction of the coating foil.
＜比較例＞
本比較例では、アルミニウムと炭素繊維との複合材を次の手順で製造した。
<Comparative example>
In this comparative example, a composite material of aluminum and carbon fiber was manufactured by the following procedure.
平均繊維長１５０μｍ及び平均繊維直径１０μｍの炭素繊維（日本グラファイトファイバー（株）製：ＸＮ−１００）と、バインダーとして平均分子量７０万のポリエチレンオキサイド（明成化学工業（株）製：アルコックス（登録商標）Ｅ−４５）の３質量％水溶液と、溶剤としてメタノールと、水と、分散剤と、表面調整剤とを撹拌混合し、これにより塗工液を調製た。塗工液に含まれるバインダーの質量は炭素繊維の質量に対して固形分で３％であった。また、塗工液の粘度は２５℃で１０００ｍＰａ・ｓであった。 Carbon fiber having an average fiber length of 150 μm and average fiber diameter of 10 μm (Nippon Graphite Fiber Co., Ltd .: XN-100) and polyethylene oxide having an average molecular weight of 700,000 as a binder (Meisei Chemical Industry Co., Ltd .: Alcox (registered trademark) ) A 3 mass% aqueous solution of E-45), methanol as a solvent, water, a dispersant, and a surface conditioner were mixed with stirring to prepare a coating liquid. The mass of the binder contained in the coating liquid was 3% in terms of solid content with respect to the mass of the carbon fibers. The viscosity of the coating liquid was 1000 mPa · s at 25 ° C.
厚さ２０μｍ及び幅２８０ｍｍのアルミニウム箔（その材質：Ａ１Ｎ３０）の帯状条材の表面にその全体に亘って塗工液をグラビアコーターを用いたグラビア印刷法により塗工し、これにより、アルミニウム箔の条材の表面上に炭素繊維層が形成されてなる塗工箔の条材を得た。そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させて加熱乾燥させることにより炭素繊維層から溶剤を蒸発除去した。炭素繊維層から溶剤を除去した後の炭素繊維層に含まれる炭素繊維の塗工量は３０ｇ／ｍ２であった。 A coating solution is applied over the entire surface of a strip-shaped strip of aluminum foil having a thickness of 20 μm and a width of 280 mm (its material: A1N30) by a gravure printing method using a gravure coater, whereby the aluminum foil A coated foil strip having a carbon fiber layer formed on the surface of the strip was obtained. And the solvent of the carbon fiber layer was removed by evaporation by passing the strip material of the coated foil through a drying oven and heating and drying. The coating amount of the carbon fibers contained in the carbon fiber layer after removing the solvent from the carbon fiber layer was 30 g / m 2 .
塗工に使用したグラビアコーターに備えられたグラビアロールの周面のメッシュは＃１５、セルの形状は格子型であった。 The mesh on the peripheral surface of the gravure roll provided in the gravure coater used for coating was # 15, and the cell shape was a lattice type.
次いで、塗工箔の条材を正方形状（その寸法：縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ）に切断し、これにより塗工箔の条材から正方形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を２００枚積層することで積層体を形成した。 Then, the strip material of the coating foil was cut into a square shape (its size: 50 mm length × 50 mm width), and a plurality of square coating foil sheets were cut out from the strip material of the coating foil. And the laminated body was formed by laminating 200 sheets of coating foil.
次いで、放電プラズマ焼結装置により真空雰囲気中にて積層体を塗工箔の積層方向に加圧しながら所定の焼結温度で加熱することにより積層体を焼結し即ち塗工箔を焼結一体化し、これによりアルミニウムと炭素繊維との複合材を得た。複合材の厚さは４ｍｍであった。 Next, the laminated body is sintered in a vacuum atmosphere by a discharge plasma sintering apparatus while being pressed at a predetermined sintering temperature while being pressed in the laminating direction of the coated foil, that is, the coated foil is integrally sintered. To obtain a composite material of aluminum and carbon fiber. The composite material had a thickness of 4 mm.
この焼結に適用した焼結条件は、焼結温度５５０℃、焼結温度の保持時間（焼結時間）３ｈ、真空度５Ｐａであった。 The sintering conditions applied to this sintering were a sintering temperature of 550 ° C., a sintering temperature holding time (sintering time) of 3 hours, and a vacuum degree of 5 Pa.
また、このように塗工箔を焼結一体化した工程において、積層体を室温から焼結温度まで加熱する途中で積層体からバインダーを除去した。 In addition, in the step of sintering and integrating the coating foil in this way, the binder was removed from the laminate while heating the laminate from room temperature to the sintering temperature.
得られた複合材は、アルミニウム箔から形成されたアルミニウム層と炭素繊維層とが交互に複数積層された状態になっており、更に、炭素繊維層内にアルミニウムが十分に浸透して炭素繊維層内に空隙が殆ど存在しておらず、複合材の密度は複合材の理論密度の９９％であった。 The obtained composite material is in a state in which a plurality of aluminum layers and carbon fiber layers formed from an aluminum foil are alternately laminated, and further, aluminum is sufficiently permeated into the carbon fiber layers to form the carbon fiber layers. There were almost no voids inside, and the density of the composite material was 99% of the theoretical density of the composite material.
また、複合材の長さ方向Ａ、幅方向Ｂ及び厚さ方向Ｃにおける熱伝導率と線膨張係数をそれぞれ測定した（図９参照）。その結果、複合材の長さ方向Ａの熱伝導率は２８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、線膨張係数は６×１０-6／Ｋであり、複合材の幅方向Ｂの熱伝導率は２７５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、線膨張係数は６×１０-6／Ｋであり、複合材の厚さ方向Ｃの熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、線膨張係数は２２×１０-6／Ｋであった。したがって、複合材の長さ方向Ａの熱伝導率と幅方向Ｂの熱伝導率は僅かに相異していた。 In addition, the thermal conductivity and the linear expansion coefficient in the length direction A, the width direction B, and the thickness direction C of the composite material were measured (see FIG. 9). As a result, the thermal conductivity of the composite material in the length direction A is 280 W / (m · K), the linear expansion coefficient is 6 × 10 −6 / K, and the thermal conductivity of the composite material in the width direction B is 275 W / (M · K), the coefficient of linear expansion is 6 × 10 −6 / K, the thermal conductivity of the composite in the thickness direction C is 100 W / (m · K), and the coefficient of linear expansion is 22 × 10 −6 / It was K. Therefore, the thermal conductivity in the length direction A and the thermal conductivity in the width direction B of the composite material were slightly different.
本発明は、金属と炭素繊維との複合材の製造方法に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be utilized for the manufacturing method of the composite material of metal and carbon fiber.
１：炭素繊維
２：バインダー
３：溶剤
５：塗工液
１０：金属箔
１０Ａ：金属箔の条材
１１：炭素繊維層
１２：網点
１３：気泡
１３ａ：気泡はじけ部
１４：塗工箔
１４Ａ：塗工箔の条材
１５：積層体
１７：金属と炭素繊維との複合材
２０：グラビア塗工装置
２１：グラビアロール
２２：セル
２８：乾燥炉
３０：焼結装置
1: Carbon fiber 2: Binder 3: Solvent 5: Coating liquid 10: Metal foil 10A: Metal foil strip material 11: Carbon fiber layer 12: Halftone dot 13: Bubbles 13a: Bubble burst portion 14: Coating foil 14A: Coating foil material 15: Laminated body 17: Composite material of metal and carbon fiber 20: Gravure coating device 21: Gravure roll 22: Cell 28: Drying furnace 30: Sintering device
Claims (1)
前記塗工箔が複数積層された状態の積層体を形成する工程と、
前記積層体を加熱することにより前記積層体から前記バインダーを除去し、そして前記積層体を前記塗工箔の積層方向に加圧しながら加熱することにより前記塗工箔を接合一体化する工程と、を具備し、
前記塗工箔を得る工程では、カップ状セルを有するグラビアロールを用いて前記塗工液をグラビア印刷法により塗工し、乾燥させることにより、炭素繊維が、各網点の中心部に形成された気泡はじけ部を包囲する方向に円環状に配列する、金属と炭素繊維との複合材の製造方法。 A carbon fiber layer is formed on the surface of the metal foil by applying a coating liquid containing a carbon fiber, a binder and the solvent for the binder in a mixed state on the surface of the metal foil by a gravure printing method and drying the coating solution. The step of obtaining the applied coating foil,
A step of forming a laminated body in which a plurality of the coating foils are laminated,
Removing the binder from the laminated body by heating the laminated body, and a step of joining and integrating the coating foil by heating the laminated body while pressurizing in the laminating direction of the coating foil, Equipped with,
In the step of obtaining the coating foil, the coating liquid is applied by a gravure printing method using a gravure roll having a cup-shaped cell and dried , whereby carbon fibers are formed at the center of each halftone dot. And a method for producing a composite material of metal and carbon fiber, which is arranged in an annular shape in the direction surrounding the bubble burst portion .
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