JP6733286B2 - 銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には三次元網目状構造体をなす金属焼結体(銅多孔質焼結体)の製造方法として、加熱により焼失する材質から成る三次元網目状構造体(例えばウレタンフォーム、ポリエチレンフォーム等連続気泡を持つ合成樹脂発泡体、天然繊維クロス、人造繊維クロス等)の骨格に粘着剤を塗布し、金属粉状物を被着した成形体を用いる方法や、加熱により焼失する材質から成り、かつ三次元網目状構造体を形成することができる材料(例えばパルプや羊毛繊維)に金属粉状物を抄き込んだシート状成形体を用いる方法等が開示されている。
また、特許文献2には、銅繊維を加圧下において通電加熱を行うことにより多孔質材料を得る方法が開示されている。
特許文献1及び特許文献2に記載された銅多孔質体においては、導電性及び熱伝導性について考慮されておらず、特に気孔率が高い場合には、銅粉もしくは銅繊維同士の接合が不十分となり、結果として導電性及び熱伝導性が不十分となるおそれがあった。
この場合、前記骨格部の表面に酸化還元層が形成されているので、表面に凹凸が形成されて比表面積が大きくなり、例えば多孔体骨格表面を介した熱交換効率等の各種特性を大幅に向上させることが可能となる。また、酸化還元処理を行うことで、気孔率規格化導電率σNをさらに向上させることができる。
この構成の銅多孔質体の製造方法によれば、前記銅粉末および前記銅繊維の少なくとも一方又は両方を、上述の条件で酸化処理及び還元処理を行うことで、前記銅粉末および前記銅繊維の少なくとも一方又は両方の焼結体からなる前記骨格部を形成することができ、焼結体からなる銅多孔質体を得ることができる。また、導電性を向上させて、気孔率規格化導電率σ N を20%IACS以上とすることができる。
この場合、銅繊維の直径Rが0.02mm以上1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上2500以下の範囲内とされているので、銅繊維同士の間に十分な空隙が確保されるとともに、焼結時における収縮率を抑えることができ、気孔率を高くすることが可能となり、さらに寸法精度に優れている。
この場合、前記銅粉末および銅繊維の少なくとも一方又は両方の結合部において酸化還元層同士が一体に結合していることから、結合強度に優れている。また、銅繊維及び銅粉末同士が強固に結合することになり、導電性、熱伝導性も向上させることができる。
この場合、前記部材本体と前記銅多孔質体とを焼結によって一体化することができ、特性の安定性に優れた銅多孔質複合部材を製造することが可能となる。
まず、本発明の第一の実施形態である銅多孔質体10について、図1から図3を参照して説明する。
本実施形態である銅多孔質体10は、図1に示すように、複数の銅繊維11が焼結された骨格部12を有している。
なお、本実施形態では、銅繊維11には、ねじりや曲げ等の形状付与が施されている。また、本実施形態である銅多孔質体10においては、その見掛け密度比DAが銅繊維11の真密度DTの0.50以下とされている。銅繊維11の形状については、前記見掛け密度比DAが銅繊維11の真密度DTの0.50以下となる限りにおいて、直線状、曲線状など任意であるが、銅繊維11の少なくとも一部に、ねじり加工や曲げ加工等により所定の形状付与加工をされたものを用いると、繊維同士の間の空隙形状を立体的かつ等方的に形成させることができ、その結果、銅多孔質体10の伝熱特性及び導電性等の各種特性の等方性向上に繋がる。
ここで、円換算径Rとは、各繊維の断面積Aを元に算出される値であり、断面形状に関わらず真円であると仮定し、以下の式により定義されるものである。
R=(A/π)1/2×2
なお、この酸化還元層は、ポーラスな構造とされており、骨格部12(銅繊維11)の表面に微細な凹凸を生じさせている。これにより、銅多孔質体10全体の比表面積が0.01m2/g以上とされている。
σN=σP×(1/DA)
DA=m/(V×DT)
P(%)=(1−(m/(V×DT)))×100
ここで、m:銅多孔質体10の質量(g)、V:銅多孔質体10の体積(cm3)、DT:銅多孔質体10を構成する銅繊維11の真密度(g/cm3)
まず、図3に示すように、銅繊維11を、散布機31からステンレス製容器32内に向けて散布して嵩充填し、銅繊維11を積層する(銅繊維積層工程S01)。
ここで、この銅繊維積層工程S01では、充填後の嵩密度DPが銅繊維11の真密度DTの50%以下となるように複数の銅繊維11を積層配置する。なお、本実施形態では、銅繊維11にねじり加工や曲げ加工等の形状付与加工が施されているので、積層時に銅繊維11同士の間に立体的かつ等方的な空隙が確保されることになる。
この酸化還元処理工程S02においては、図2及び図3に示すように、銅繊維11の酸化処理を行う酸化処理工程S21と、酸化処理された銅繊維11を還元して焼結する還元処理工程S22と、を備えている。
本実施形態における酸化処理工程S21の条件は、保持温度が500℃以上、1050℃以下、保持時間が5分以上、300分以下の範囲内とされている。
以上のことから、本実施形態においては、酸化処理工程S21における保持温度を500℃以上、1050℃以下に設定している。なお、銅繊維11の表面に酸化物層を確実に形成するためには、酸化処理工程S21における保持温度の下限を600℃以上、保持温度の上限を1000℃以下、とすることが好ましい。
以上のことから、本実施形態においては、酸化処理工程S21における保持時間を5分以上、300分以下の範囲内に設定している。なお、銅繊維11の表面に酸化物層を確実に形成するためには、酸化処理工程S21における保持時間の下限を10分以上とすることが好ましい。また、銅繊維11の内部にまで酸化することを確実に抑制するためには、酸化処理工程S21における保持時間の上限を100分以下とすることが好ましい。
本実施形態における還元処理工程S22の条件は、雰囲気がアルゴンと水素の混合ガス雰囲気、保持温度が500℃以上、1050℃以下、保持時間が5分以上、300分以下の範囲内とされている。
以上のことから、本実施形態においては、還元処理工程S22における保持温度を500℃以上、1050℃以下に設定している。なお、銅繊維11の表面に形成された酸化物層を確実に還元するためには、還元処理工程S22における保持温度の下限を600℃以上とすることが好ましい。また、強度及び気孔率の低下を確実に抑制するためには、還元処理工程S22における保持温度の上限を1000℃以下とすることが好ましい。
以上のことから、本実施形態においては、還元処理工程S22における保持時間を5分以上、300分以下の範囲内に設定している。なお、銅繊維11の表面に形成された酸化物層を確実に還元するとともに焼結を十分に進行させるためには、還元処理工程S22における保持温度の下限を10分以上とすることが好ましい。また、焼結による熱収縮や強度低下を確実に抑制するためには、還元処理工程S22における保持時間の上限を100分以下とすることが好ましい。
また、酸化処理工程S21によって銅繊維11の表面に酸化物層が形成され、この酸化物層によって複数の銅繊維11同士が架橋される。その後、還元処理工程S22を行うことで、銅繊維11の表面に形成された酸化物層が還元されて上述の酸化還元層が形成されるとともに、この酸化還元層同士が結合することにより、銅繊維11同士が焼結されて骨格部12が形成される。
さらに、本実施形態では、銅繊維11同士の結合部において、互いの表面に形成された酸化還元層同士が一体に結合しているので、結合強度に優れている。
以上のことから、本実施形態では、銅繊維11の直径Rを0.02mm以上、1.0mm以下の範囲内に設定している。なお、さらなる強度向上を図る場合には、銅繊維11の直径Rの下限を0.05mm以上とすることが好ましく、銅繊維11の直径Rの上限を0.5mm以下とすることが好ましい。
以上のことから、本実施形態では、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/Rを4以上、2500以下の範囲内に設定している。なお、さらなる気孔率の向上を図る場合には、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/Rの下限を10以上とすることが好ましい。また、確実に気孔率Pが均一な銅多孔質体10を得るためには、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/R上限を500以下とすることが好ましい。
次に、本発明の第二の実施形態である銅多孔質複合部材100について、添付した図面を参照して説明する。
図4に、本実施形態である銅多孔質複合部材100を示す。この銅多孔質複合部材100は、銅又は銅合金からなる銅板120(部材本体)と、この銅板120の表面に接合された銅多孔質体110と、を備えている。
なお、本実施形態では、銅繊維には、ねじりや曲げ等の形状付与が施されている。また、本実施形態である銅多孔質体110においては、その見掛け密度比DAが銅繊維の真密度DTの51%以下とされている。
また、銅多孔質体110を構成する銅繊維と銅板120の表面との結合部においては、銅繊維の表面に形成された酸化還元層と銅板の表面に形成された酸化還元層とが一体に結合している。
まず、部材本体である銅板120を準備する(銅板配置工程S100)。次に、この銅板120の表面に銅繊維を分散させて積層配置する(銅繊維積層工程S101)。ここで、この銅繊維積層工程S101では、嵩密度DPが銅繊維の真密度DTの50%以下となるように複数の銅繊維を積層配置する。
ここで、本実施形態における酸化処理工程S121の条件は、保持温度が500℃以上、1050℃以下、望ましくは600℃以上、1000℃以下、保持時間が5分以上、300分以下、望ましくは10分以上、100分以下の範囲内とされている。
ここで、本実施形態における還元処理工程S122の条件は、雰囲気が窒素と水素の混合ガス雰囲気、保持温度が500℃以上、1050℃以下、望ましくは600℃以上、1000℃以下、保持時間が5分以上、300分以下、望ましくは10分以上、100分以下の範囲内とされている。
また、酸化処理工程S121によって銅繊維(骨格部)及び銅板120の表面に酸化物層が形成され、この酸化物層によって複数の銅繊維同士及び銅板120が架橋される。その後、還元処理工程S122を行うことで、銅繊維(骨格部)及び銅板120の表面に形成された酸化物層が還元され、酸化還元層を介して銅繊維同士が焼結されて骨格部が形成されるとともに銅多孔質体110と銅板120とが結合される。さらに、銅多孔質体110の気孔率規格化導電率σNが20%IACS以上となる。
以上のような製造方法によって、本実施形態である銅多孔質複合部材100が製造される。
また、酸化処理工程S121及び還元処理工程S122を実施することにより、気孔率規格化導電率σNを20%IACS以上とすることができる。
例えば、図3に示す製造設備を用いて、銅多孔質体を製造するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の製造設備を用いて銅多孔質体を製造してもよい。
さらに、第二の実施形態では、銅多孔質体と部材本体の接合部に酸化還元層からなる焼結層が形成されている接合方法を望ましい方法として例示したが、これに限定されることはなく、各種溶接法(レーザー溶接法、抵抗溶接法)や低温で溶融するロウ材を用いたロウ付け法による接合方法でも、銅多孔質体の気孔率規格化導電率σNが20%IACS以上とされていればよい。
あるいは、図7に示すように、銅多孔質体310の中に、部材本体としてU字状に湾曲された銅管320が挿入された構造の銅多孔質複合部材300であってもよい。
また、図9に示すように、部材本体である銅管520の外周面に銅多孔質体510を接合した構造の銅多孔質複合部材500であってもよい。
また、図11に示すように、部材本体である銅板720の両面に銅多孔質体710を接合した構造の銅多孔質複合部材700であってもよい。
表1に示す材質及び製造方法によって製造された各種多孔質体を準備した。まず、熱処理前の気孔率と気孔率規格化導電率を測定した。その後、表1に記載した条件で酸化処理及び還元処理を行い、酸化処理及び還元処理後の気孔率と気孔率規格化導電率を測定した。なお、気孔率、及び、気孔率規格化導電率は、以下のようにして測定した。評価結果を表1に示す。
精密天秤を用いて水中法により真密度DT(g/cm3)を測定し、以下の式で気孔率Pを算出した。なお、銅多孔質体の質量をm(g)、銅多孔質体の体積をV(cm3)とした。
気孔率P(%)=(1−(m/(V×DT)))×100
幅30mm×長さ200mm×厚さ5mmの板状に切り出したサンプルを用いて、JIS C2525に準拠し、日置電機社製マイクロオームハイテスター3227を用いて、電圧端子間隔150mm、測定電流0.5Aの条件にて4端子法により導電率σP(%IACS)を測定した。そして、以下の式により、気孔率規格化導電率σNを算出した。
気孔率規格化導電率σN(%IACS)=σP×(1/DA)
これに対して、酸化処理の温度条件が低い比較例1及び,還元処理の温度条件が低い比比較例2においては、酸化処理及び還元処理後においても十分に導電率が向上しておらず、気孔率規格化導電率σNが20%IACS未満となった。
表2に示す銅粉末を用いて、表2に示す条件で酸化還元処理を行い、銅多孔質体を製造した。得られた銅多孔質体について、気孔率と気孔率規格化導電率を測定した。なお、気孔率、及び、気孔率規格化導電率は、実施例1と同様の方法により測定した。評価結果を表2に示す。
これに対して、酸化処理の温度条件が低い比較例11及び,還元処理の温度条件が低い比較例12においては、気孔率規格化導電率σNが20%IACS未満となった。
表3に示す銅繊維を用いて、表3に示す条件で酸化還元処理を行い、銅多孔質体を製造した。なお、銅繊維の繊維径R及び繊維長さLは、以下の方法で測定した。
繊維径Rは、マルバーン社製粒子解析装置「Morphologi G3」を用いて、JIS Z 8827−1に基づいて、画像解析により算出された円相当径(Heywood径)R=(A/π)1/2×2の平均値を用いた。
銅繊維の繊維長Lは、マルバーン社製粒子解析装置「Morphologi G3」を用いて、画像解析により算出された単純平均値を用いた。
これに対して、酸化処理の温度条件が低い比較例21及び,還元処理の温度条件が低い比較例22においては、気孔率規格化導電率σNが20%IACS未満となった。
11 銅繊維
12 骨格部
100 銅多孔質複合部材
120 銅板(部材本体)
Claims (7)
- 三次元網目構造の骨格部を有し、気孔率が50%以上90%以下の範囲内とされ、4端子法によって測定された銅多孔質体の導電率を、前記銅多孔質体の見掛け密度比で除することによって規定される気孔率規格化導電率σNが20%IACS以上とされた銅多孔質体の製造方法であって、
三次元網目構造の骨格部に対して、酸化雰囲気で保持温度500℃以上1050℃以下の条件で酸化処理を行うとともに、還元雰囲気で保持温度500℃以上1050℃以下の条件で還元処理を行うことにより、気孔率規格化導電率σ N を20%IACS以上とすることを特徴とする銅多孔質体の製造方法。 - 前記骨格部の表面に、酸化還元層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の銅多孔質体の製造方法。
- 三次元網目構造の骨格部を有し、気孔率が50%以上90%以下の範囲内とされ、4端子法によって測定された銅多孔質体の導電率を、前記銅多孔質体の見掛け密度比で除することによって規定される気孔率規格化導電率σ N が20%IACS以上とされており、前記骨格部は、銅又は銅合金からなる銅粉末および銅繊維の少なくとも一方又は両方の焼結体とされている銅多孔質体の製造方法であって、
前記銅粉末および前記銅繊維の少なくとも一方又は両方を、酸化雰囲気で保持温度500℃以上1050℃以下の条件で酸化処理を行うとともに還元雰囲気で保持温度500℃以上1050℃以下の条件で還元処理を行うことにより、前記銅粉末および前記銅繊維の少なくとも一方又は両方の焼結体からなる前記骨格部を形成するとともに、気孔率規格化導電率σ N を20%IACS以上とすることを特徴とする銅多孔質体の製造方法。 - 前記銅繊維は、直径Rが0.02mm以上1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上2500以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項3に記載の銅多孔質体の製造方法。
- 前記銅粉末および銅繊維の少なくとも一方又は両方の結合部は、互いの表面に形成された酸化還元層同士が一体に結合していることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の銅多孔質体の製造方法。
- 部材本体と、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の銅多孔質体の製造方法で製造された銅多孔質体の接合体からなる銅多孔質複合部材の製造方法であって、
前記銅多孔質体と、前記部材本体とを接合する接合工程を備えていることを特徴とする銅多孔質複合部材の製造方法。 - 前記部材本体のうち前記銅多孔質体が接合される接合面は、銅又は銅合金で構成されており、前記接合工程は、前記銅多孔質体と前記部材本体とを焼結によって接合することを特徴とする請求項6に記載の銅多孔質複合部材の製造方法。
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