JP6876569B2 - Metal-carbon particle composite - Google Patents
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Description
本発明は、金属マトリックス中に炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子が分散した金属−炭素粒子複合材に関する。 The present invention relates to a metal-carbon particle composite material in which scaly graphite particles as carbon particles are dispersed in a metal matrix.
なお、本明細書及び特許請求の範囲では、特に文中に示した場合を除いて、「アルミニウム」の語は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、「銅」の語は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 mean both pure aluminum and aluminum alloys, and the term "copper" is used to include pure copper and aluminum alloys, unless otherwise specified in the text. It is used to include both copper alloys.
また本明細書では、説明の便宜上、金属−炭素粒子複合材における金属層と鱗片状黒鉛粒子分散層とが交互に複数積層している方向を、複合材の厚さ方向と定義し、複合材の厚さ方向に対して垂直な面及びその方向をそれぞれ複合材の平面及び平面方向と定義する。 Further, in the present specification, for convenience of explanation, the direction in which a plurality of metal layers and scaly graphite particle dispersion layers are alternately laminated in the metal-carbon particle composite material is defined as the thickness direction of the composite material, and the composite material is defined as the thickness direction. The plane perpendicular to the thickness direction of the composite and its direction are defined as the plane and the plane direction of the composite material, respectively.
金属−炭素粒子複合材は一般に高熱伝導性及び低線膨張性を有している。この種の複合材やその製造方法を開示した文献として次のものがある。 Metal-carbon particle composites generally have high thermal conductivity and low linear expansion. The following are documents that disclose this type of composite material and its manufacturing method.
特許第5150905号(特許文献1)は、シート状又はフォイル状の金属支持体上に炭素繊維を含有する皮膜が形成されたプリフォームを形成し、これを複数積み重ねて積層体を形成し、積層体を加熱圧接することにより、金属−炭素粒子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。この方法では、得られる複合材において熱伝導率が高くなるのは炭素繊維が配向した一方向のみである。 Patent No. 5150905 (Patent Document 1) forms a preform in which a film containing carbon fibers is formed on a sheet-shaped or foil-shaped metal support, and stacks a plurality of the preforms to form a laminated body. It discloses a method of producing a metal-based carbon fiber composite material as a metal-carbon particle composite material by heat-pressing a body. In this method, the obtained composite material has a high thermal conductivity only in one direction in which the carbon fibers are oriented.
特開2015−25158号公報(特許文献2)は、金属層と炭素繊維層が交互に且つ積層方向の両最外側にそれぞれ金属層が配置される態様にして複数積層されるとともに、これらの層が拡散接合により接合一体化された、金属と炭素繊維との複合材を開示している。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-25158 (Patent Document 2), a plurality of metal layers and carbon fiber layers are laminated alternately and metal layers are arranged on both outermost sides in the stacking direction, and these layers are laminated. Discloses a composite material of metal and carbon fiber, which is joined and integrated by diffusion bonding.
この複合材では、複合材の厚さ方向の両最外側にそれぞれ配置された金属層(これを説明の便宜上「最外側金属層」という)は、複合材の両最外側金属層の内側に配置された金属層(これを説明の便宜上「内側金属層」という)よりも厚くなっている。その理由は、最外側金属層は、主に、複合材中の炭素繊維が複合材の外面に露出したり複合材の外面から脱落したりするのを抑制するために複合材の外面を保護する保護層としての役割を有しているからである。 In this composite material, the metal layers arranged on both outermost sides in the thickness direction of the composite material (this is referred to as "outermost metal layer" for convenience of explanation) are arranged inside both outermost metal layers of the composite material. It is thicker than the metal layer (this is referred to as the "inner metal layer" for convenience of explanation). The reason is that the outermost metal layer mainly protects the outer surface of the composite to prevent the carbon fibers in the composite from being exposed to the outer surface of the composite or falling off from the outer surface of the composite. This is because it has a role as a protective layer.
特許第4441768号公報(特許文献3)は、鱗状黒鉛粉末と所定の鱗状金属粉末との混合体を用いて焼結前駆体を形成し、焼結前駆体を焼結することにより、金属−炭素粒子複合材を製造する方法を開示している。この方法では、製造時において金属粉末の取り扱いが難しいし、製造コストが高いという問題がある。 According to Japanese Patent No. 4441768 (Patent Document 3), a sintered precursor is formed by using a mixture of scaly graphite powder and a predetermined scaly metal powder, and the sintered precursor is sintered to form a metal-carbon. It discloses a method for producing a particle composite material. This method has a problem that it is difficult to handle the metal powder at the time of manufacturing and the manufacturing cost is high.
特開2006−1232号公報(特許公報4)は、結晶系カーボン材層と金属層が交互に複数積層され複合化された複合体をホットプレス焼結することにより、金属−炭素粒子複合材としての高熱伝導・低熱膨張複合材を製造する方法を開示している。この方法では、複合体の焼結が難しく、そのため、接合が不十分で接合界面のずれが生じやすいと考えられる。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-1232 (Patent Publication No. 4) provides a metal-carbon particle composite material by hot-press sintering a composite in which a plurality of crystalline carbon material layers and metal layers are alternately laminated and composited. Discloses a method for producing a high thermal conductivity / low thermal expansion composite material. In this method, it is difficult to sinter the composite, and therefore it is considered that the bonding is insufficient and the bonding interface is likely to be displaced.
金属−炭素粒子複合材を開示したその他の文献として、特開2015−217655号公報(特許文献5)がある。 As another document that discloses a metal-carbon particle composite material, there is Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-217655 (Patent Document 5).
而して、SiC等を用いた次世代半導体チップは高温動作が可能である。そのようなチップを冷却する冷却器の構成層の材料は、冷却器の冷却性能を高めるために、より高い熱伝導性(高い熱伝導率)を有していることが望ましい。そこで、この材料として金属−炭素粒子複合材を用いることが考えられる。 Therefore, the next-generation semiconductor chip using SiC or the like can operate at a high temperature. It is desirable that the material of the constituent layer of the cooler for cooling such chips has higher thermal conductivity (high thermal conductivity) in order to enhance the cooling performance of the cooler. Therefore, it is conceivable to use a metal-carbon particle composite material as this material.
しかるに、金属−炭素粒子複合材の炭素粒子として炭素繊維が用いられている場合、複合材は高い成形加工性を有しているが、複合材において熱伝導率が高くなるのは炭素繊維が配向した方向のみであり、そのため、高い熱伝導率を有する複合材の製造は容易ではない。 However, when carbon fibers are used as the carbon particles of the metal-carbon particle composite material, the composite material has high molding processability, but the carbon fibers are oriented to have high thermal conductivity in the composite material. Therefore, it is not easy to manufacture a composite material having a high thermal conductivity.
金属−炭素粒子複合材の炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子が用いられている場合、高い熱伝導率を有する複合材を製造可能であるが、複合材の成形加工性があまり良くないという難点があった。そのため、複合材を例えば曲げ加工すると、複合材を構成する層(即ち、金属層、鱗片状黒鉛粒子層)の剥離や複合材の破断が発生し易かった。 When scaly graphite particles are used as carbon particles in a metal-carbon particle composite material, a composite material having high thermal conductivity can be produced, but there is a drawback that the molding processability of the composite material is not very good. It was. Therefore, when the composite material is bent, for example, the layers constituting the composite material (that is, the metal layer and the scaly graphite particle layer) are likely to be peeled off or the composite material is easily broken.
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、高い熱伝導率と高い成形加工性を有する金属−炭素粒子複合材を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned technical background, and an object of the present invention is to provide a metal-carbon particle composite material having high thermal conductivity and high molding processability.
本発明は以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means.
[1] 金属マトリックスからなる金属層と前記金属マトリックス中に鱗片状黒鉛粒子が分散した鱗片状黒鉛粒子分散層とが交互に複数積層した状態に接合一体化されており、
前記金属層の平均厚さが12〜100μmの範囲であり、
前記鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さが1〜100μmの範囲であり、
前記金属層の平均厚さと前記鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さとの比率を1:Xとするとき、Xが0.1〜1の範囲である金属−炭素粒子複合材。
[1] A metal layer made of a metal matrix and a scaly graphite particle dispersion layer in which scaly graphite particles are dispersed in the metal matrix are joined and integrated in a state of being alternately laminated.
The average thickness of the metal layer is in the range of 12 to 100 μm.
The average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer is in the range of 1 to 100 μm.
A metal-carbon particle composite material in which X is in the range of 0.1 to 1, where the ratio of the average thickness of the metal layer to the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer is 1: X.
[2] 前記金属マトリックスがアルミニウム又は銅である前項1記載の金属−炭素粒子複合材。
[2] The metal-carbon particle composite material according to
本発明は以下の効果を奏する。 The present invention has the following effects.
前項1に記載の金属−炭素粒子複合材では、炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子が用いられていることにより、高い熱伝導率を有する複合材を容易に製造することができる。
In the metal-carbon particle composite material according to
さらに、金属層の平均厚さが12〜100μmの範囲であり、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さが1〜100μmの範囲であり、金属層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子層の平均厚さとの比率を1:Xとするとき、Xが0.1〜1の範囲であるから、金属層が厚く、これにより複合材の成形加工性を高めることができる。 Further, the average thickness of the metal layer is in the range of 12 to 100 μm, the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer is in the range of 1 to 100 μm, and the average thickness of the metal layer and the average thickness of the scaly graphite particle layer. When the ratio with and to is 1: X, since X is in the range of 0.1 to 1, the metal layer is thick, which makes it possible to improve the moldability of the composite material.
前項2では、金属マトリックスがアルミニウム又は銅であることにより、複合材の熱伝導率を確実に高めることができる。 In item 2 above, the thermal conductivity of the composite material can be reliably increased by using aluminum or copper as the metal matrix.
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.
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る金属−炭素粒子複合材20は、金属マトリックス(ドット網掛けで示す)23からなる複数の金属層(一点鎖線で囲んだ領域)22と、金属マトリックス23中に炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子1が分散した複数の鱗片状黒鉛粒子分散層(二点鎖線で囲んだ領域)21とを含んでいる。金属層22と鱗片状黒鉛粒子分散層21は、複合材20の厚さ方向Bの略全体に亘って複合材20の厚さ方向Bに交互に複数積層した状態に配列している。そしてこの状態で、複数の金属層22と複数の鱗片状黒鉛粒子分散層21とが接合一体化(詳述すると焼結一体化)されており、これにより複合材20が形成されている。
As shown in FIG. 1, the metal-carbon particle
複合材20では、炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子1が用いられているので、複合材20は詳述すると金属−鱗片状黒鉛粒子複合材である。
Since the
各鱗片状黒鉛粒子分散層21では、鱗片状黒鉛粒子1は金属マトリックス23中に複合材20の平面方向Aに多数分散している。
In each scaly graphite
鱗片状黒鉛粒子1は、なるべく高い熱伝導性を有するもの(例:高熱伝導性鱗片状黒鉛粒子)であることが望ましい。
It is desirable that the
鱗片状黒鉛粒子1の粒径は限定されるものではないが、鱗片状黒鉛粒子1の最長軸方向の長さを鱗片状黒鉛粒子1の粒径とするとき、金属マトリックス23中に分散される多数の鱗片状黒鉛粒子1の最長軸方向の平均長さは300μm以上であることが望ましい。この場合、複合材20の内部において鱗片状黒鉛粒子1と金属マトリックス23との間の界面熱抵抗を小さくすることができ、これにより、複合材20の熱伝導率を確実に高めることができる。鱗片状黒鉛粒子1の最長軸方向の平均長さの上限も限定されるものではなく、通常1000μmである。
The particle size of the
ここで、鱗片状黒鉛粒子1の最長軸方向の平均長さは次の方法により算出される。
Here, the average length of the
ガラス板上に分散した多数の鱗片状黒鉛粒子の中から任意に選択した100個の鱗片状黒鉛粒子をそれぞれ光学顕微鏡で観察し、各鱗片状黒鉛粒子の最も長い方向の長さを測定する。そして、それらの算術平均値を鱗片状黒鉛粒子の最長軸方向の平均長さとする。 100 scaly graphite particles arbitrarily selected from a large number of scaly graphite particles dispersed on a glass plate are observed with an optical microscope, and the length of each scaly graphite particle in the longest direction is measured. Then, the arithmetic mean value thereof is taken as the average length in the longest axial direction of the scaly graphite particles.
鱗片状黒鉛粒子1のアスペクト比は限定されるものではなく、特にその平均アスペクト比が30以上であることが望ましい。鱗片状黒鉛粒子1の平均アスペクト比の望ましい上限も限定されるものではなく、通常100である。
The aspect ratio of the
金属マトリックス23の種類は限定されるものではないが、特に金属マトリックス23はアルミニウム又は銅であることが望ましい。この場合、複合材20の熱伝導率を確実に高めることができる。
The type of the
本実施形態の複合材20では、炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子1が用いられていることにより、高い熱伝導率を有する複合材20を容易に製造することができる。
In the
本実施形態の複合材20において、金属層22の平均厚さ及び鱗片状黒鉛粒子分散層21の平均厚さは次の方法により定義される。
In the
図2に示すように、複合材20をその厚さ方向Bに切断した断面について1.5mm(複合材20の平面方向A)×1.0mm(複合材20の厚さ方向B)の視野範囲を撮影した断面組織写真において、複合材20の厚さ方向Bに延びるグリッド線60を複合材20の平面方向Aに0.1mmの間隔で10本引いたとき、一つのグリッド線60が一つの鱗片状黒鉛粒子1を横断する線分の長さtを一つの鱗片状黒鉛粒子分散層21の厚さとして測定し、10本のグリッド線60について測定した全ての鱗片状黒鉛粒子分散層21の厚さの算術平均値を鱗片状黒鉛粒子分散層21の平均厚さと定義し、また、一つのグリッド線60が一つの金属マトリックス部分(即ち、当該一つのグリッド線60が横断する互いに隣り合う二つの鱗片状黒鉛粒子1、1間の部分)を横断する線分の長さTを一つの金属層22の厚さとして測定し、10本のグリッド線60について測定した全ての金属層22の厚さの算術平均値を金属層22の平均厚さと定義する。
As shown in FIG. 2, the cross section of the
ただし、複合材20の厚さ方向Bの両最外側にそれぞれ配置された金属層、即ち最外側金属層は、金属層22の平均厚さの算出に適用する金属層から除外する。その理由は、最外側金属層は、複合材20の外面を保護する保護層としての役割を有するようにするため、一般に複合材20の両最外側金属層の内側に配置された金属層(即ち内側金属層)22よりも厚くなっていることが多いからである。
However, the metal layers arranged on both outermost sides of the
本実施形態の複合材20では、金属層22の平均厚さは12〜100μmの範囲に設定されており、鱗片状黒鉛粒子分散層21の平均厚さは1〜100μmの範囲に設定されており、金属層22の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層21の平均厚さの比率を1:Xとするとき、Xは0.1〜1の範囲に設定されている。
In the
金属層22の平均厚さ、鱗片状黒鉛粒子分散層21の平均厚さ及びXがそれぞれ上述した範囲に設定されていることにより、複合材20の熱伝導率を高めることができるし複合材20の成形加工性(例:曲げ加工性、延性、打ち抜き加工性)を高めることができる。
By setting the average thickness of the metal layer 22, the average thickness of the scaly graphite
Xが0.1未満である場合、複合材20中の鱗片状黒鉛粒子1の含有量が少なすぎ、そのため複合材20の熱伝導率を高める効果に劣る。Xが1を超える場合、複合材20中の鱗片状黒鉛粒子1の含有量が多すぎ、そのため複合材20の製造が困難になるし複合材20の成形加工性が悪化する。
When X is less than 0.1, the content of the
金属層22の特に望ましい厚さは15〜50μmの範囲であり、鱗片状黒鉛粒子分散層21の特に望ましい厚さは10〜35μmの範囲である。また、Xは0.2〜0.7の範囲であることが特に望ましい。
A particularly desirable thickness of the metal layer 22 is in the range of 15 to 50 μm, and a particularly desirable thickness of the scaly graphite
また、複合材20中の鱗片状黒鉛粒子1の体積含有率は、複合材20の体積に対して10〜50体積%の範囲であることが望ましい。この場合、複合材20の成形加工性を確実に高めることができる。
Further, the volume content of the
複合材20の製造方法は限定されるものではないが、その望ましい製造方法について図3〜7を参照して以下に説明する。
The method for producing the
図3に示すように、複合材20の製造方法は、塗工箔を得る工程S1と、積層体を形成する工程S2と、積層体を焼結する工程S3とを含んでおり、この記述の順に行われる。
As shown in FIG. 3, the method for producing the
塗工箔を得る工程S1では、図4に示すように、鱗片状黒鉛粒子1とバインダー2とバインダー2用溶剤3とを混合状態に含む塗工液5を金属箔10の塗工予定表面10aに塗工することにより、金属箔10の塗工予定表面10aに鱗片状黒鉛粒子層11が形成された塗工箔12を得る。
In the step S1 of obtaining the coating foil, as shown in FIG. 4, the
本実施形態では、金属箔10として金属箔10の帯状条材10A(即ち帯状の長尺な金属箔10)が用いられている。
In the present embodiment, the strip-shaped
金属箔10の条材10Aの塗工予定表面10aは、金属箔10の条材10Aの厚さ方向の両表面のうち少なくとも片側の表面であり、本実施形態では塗工予定表面10aは金属箔10の条材10Aの厚さ方向の片側の表面だけである。
The planned
金属箔10の金属材料は、所望する複合材20の金属マトリックス23の種類に応じて決定される。すなわち、金属マトリックス23がアルミニウムマトリックスである場合、金属箔10としてアルミニウム箔が用いられ、金属マトリックス23が銅マトリックスである場合、金属箔10として銅箔が用いられる。
The metal material of the
金属箔10がアルミニウム箔である場合、アルミニウム箔の材質は限定されるものではなく、例えば、純度99%以上の純アルミニウムやアルミニウム合金である。
When the
金属箔10が銅箔である場合、銅箔の材質は限定されるものではなく、例えば、純銅や銅合金である。
When the
金属箔10の厚さは、得られる複合材20の金属層22の平均厚さが12〜100μmの範囲になるような厚さであれば良い。ここで、金属箔10の厚さが10μm以下である場合、金属箔10の材料コストが高いし金属箔10のハンドリング性が悪いので、金属箔10の厚さは10μmを超えていることが望ましい。
The thickness of the
バインダー2は、鱗片状黒鉛粒子1に金属箔10の条材10Aの塗工予定表面10aへの付着力を付与して鱗片状黒鉛粒子1が塗工予定表面10aから不慮に脱落するのを抑制するためのものである。バインダー2は通常、有機樹脂などの樹脂からなる。バインダー2として、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、アクリル系樹脂などが用いられる。
The binder 2 imparts the adhesive force of the
溶剤3はバインダー2を溶解するものである。溶剤3として、親水性溶剤(イソプロピルアルコール、水)、有機溶剤などが用いられる。 The solvent 3 dissolves the binder 2. As the solvent 3, a hydrophilic solvent (isopropyl alcohol, water), an organic solvent, or the like is used.
塗工液5は例えば次のようにして得られる。
The
すなわち、塗工液5は、鱗片状黒鉛粒子1とバインダー2と溶剤3を混合容器41内に入れこれらを撹拌混合器42により混合することにより、得られる。必要に応じて、塗工液5には分散剤(図示せず)、表面調整剤(図示せず)などが添加される。撹拌混合器42として、ディスパー、プラネタリーミキサー、ビーズミルなどが用いられる。
That is, the
塗工液5を金属箔10の条材10Aの塗工予定表面10aに塗工する方法及び塗工装置は限定されるものではない。例えば、塗工液5の塗工装置として、グラビアコーター、3本ロールコーター(オフセットタイプ)、ナイフコーター、ダイコーター、ロールコーター(2本ロール)、スプレーコーター、カーテンコーター、リバースロールコーターなどが用いられる。
The method and the coating apparatus for applying the
本実施形態では、図4に示すように、塗工液5の塗工は、金属箔10の条材10Aを巻き出す巻出しロール37aと金属箔10の条材10A(塗工箔12の条材12A)を巻き取る巻取りロール37bとを用いたロールtoロール方式の塗工装置により行われる。この場合における塗工液5の塗工方法は次のとおりである。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the coating of the
巻出しロール37aと巻取りロール37bとの間には、塗工装置30と乾燥炉38が金属箔10の条材10Aの送り方向Fに並んで設置されている。
A
塗工装置30は例えばグラビアコーター(詳述するとダイレクトグラビアコーター)であり、グラビアロール31、バックアップロール33、塗工液5をグラビアロール31の周面31aに付着させる塗工液付着手段35、ドクターブレード34などを備えている。
The
グラビアロール31の周面31aにはその全体に亘って多数のセル(図示せず)が整然と配列して設けられている。セルは、格子型セル、ピラミッド型セル、亀甲型セル、円型セル、斜線型セルなどである。
A large number of cells (not shown) are arranged in an orderly manner on the
塗工液付着手段35は、塗工液5を収容した塗工液パン(図示せず)を備えたものであり、グラビアロール31の周面31aの周方向の一部がパン内の塗工液5に接触した状態でグラビアロール31がその中心軸を中心に回転することにより、グラビアロール31の周面31aにその周方向に塗工液5が付着されるように構成されている。
The coating
巻出しロール37aから巻き出された金属箔10の条材10Aは、グラビアコーター(塗工装置30)のグラビアロール31とバックアップロール33との間を通過する。この際に金属箔10の条材10Aの塗工予定表面10aに塗工液5がグラビアロール31によって金属箔10の条材10Aの長さ方向(即ち金属箔10の条材10Aの送り方向F)に連続的に層状に塗工される。これにより、金属箔10の条材10Aの塗工予定表面10aに塗工液5からなる鱗片状黒鉛粒子層11が形成(塗工)された塗工箔12の条材12Aが得られる。
The
そして、塗工箔12の条材12Aが乾燥炉38内を通過することにより、鱗片状黒鉛粒子層11中の溶剤3が鱗片状黒鉛粒子層11から蒸発除去される。その後、塗工箔12の条材12Aが巻取りロール37bに巻き取られる。
Then, as the
金属箔10の条材10Aの塗工予定表面10aへの塗工液5の塗工量は限定されるものではない。特に、塗工液5は、鱗片状黒鉛粒子層11中の鱗片状黒鉛粒子1の塗工量が10〜160g/m2(好ましくは25〜80g/m2)になるように塗工予定表面10aに塗工されることが望ましい。
The amount of the
積層体を形成する工程S2は、塗工箔12が複数積層された状態の積層体15を形成する工程であり、例えば次のように行われる。
The step S2 for forming the laminated body is a step of forming the
図5に示すように、まず巻取りロール37bから巻き解かれた塗工箔12の条材12Aを切断機45により所定形状に切断する。これにより、塗工箔12の条材12Aから所定形状(例:略方形状)の塗工箔12を複数切り出す。すなわち、各塗工箔12は塗工箔12の条材12Aを切断した切断片からなるものである。
As shown in FIG. 5, first, the
次いで、図6に示すように塗工箔12を複数積層する。これにより、塗工箔12が複数積層された状態の積層体15を形成する。
Next, as shown in FIG. 6, a plurality of coating foils 12 are laminated. As a result, the
塗工箔12を積層する際には焼結補助材としての金属粒子を互いに重なり合う塗工箔12、12間に介在させないことが望ましい。この場合、積層体15の形成を容易に行うことができる。金属粒子としては、金属箔10と同種の金属粉末などが用いられる。ただし本実施形態では、互いに重なり合う塗工箔12、12間に金属粒子を介在させないことに限定されるものではなく、金属粒子を介在させても良い。
When laminating the
積層体15を形成するための塗工箔12の積層枚数は限定されるものではなく、所望する複合材20の厚さなどに対応して設定され、例えば10〜1000枚である。
The number of laminated coating foils 12 for forming the
ここで、上記の特開2015−25158号公報(特許文献2)に記載の複合材のように、厚さ方向の最外側に保護層としての金属層が配置されている複合材を製造する場合には、同公報に記載のように、塗工箔12を複数積層する際に、積層体15の厚さ方向の最外側に保護層用金属箔(当該金属箔は鱗片状黒鉛粒子層等の炭素粒子層を有していない)を積層する。なお、保護層は、複合材20中の鱗片状黒鉛粒子1が複合材20の外面に露出したり複合材20の外面から脱落したりするのを抑制するために複合材20の外面を保護する役割を有するものであり、その厚さは、通常、塗工箔12の金属箔10よりも厚くなっている。
Here, in the case of producing a composite material in which a metal layer as a protective layer is arranged on the outermost side in the thickness direction, such as the composite material described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-25158 (Patent Document 2). In the above, when a plurality of coating foils 12 are laminated, a metal foil for a protective layer (the metal foil is a scaly graphite particle layer or the like) on the outermost side of the
積層体15を焼結する工程S3では、積層体15を所定の焼結雰囲気(例:非酸化雰囲気)中にて一軸加圧しながら加熱することにより焼結し、これにより複数の塗工箔12を一括して接合一体化(詳述すると焼結一体化)する。
In the step S3 of sintering the
積層体15の焼結方法は、真空ホットプレス法、放電プラズマ焼結法(SPS法)、熱間静水圧焼結法(HIP法)、圧延法などから選択される。
The sintering method of the
具体的には、図7に示すように、例えば、加圧加熱焼結装置50の焼結室51内に積層体15を配置し、そして所定の焼結雰囲気中にて積層体15をその厚さ方向(即ち塗工箔12の積層方向)に加圧しながら所定の焼結条件で加熱することにより積層体15を焼結する。これにより、図1に示した断面組織を有する金属−炭素粒子複合材20が得られる。
Specifically, as shown in FIG. 7, for example, the
焼結装置50は、積層体15を一軸加圧可能なものであり、例えば当該手段として一対の押圧パンチ52、52を備えている。両押圧パンチ52、52は互いに対向状に配置されている。
The
積層体15への加圧は、両押圧パンチ52、52で積層体15をその厚さ方向に挟んで加圧することにより行われる。したがって、積層体15の加圧方向とは積層体15の厚さ方向であり、この方向は複合材20の厚さ方向(B、図1参照)と一致している。すなわち、複合材20の厚さ方向Bは積層体15の加圧方向と一致している。
The pressure applied to the
積層体15を焼結するための積層体15の加熱温度、即ち積層体15の焼結温度は限定されるものではなく、通常、金属箔10の金属材料の融点以下であり、例えば、金属材料の融点と当該融点よりも約50℃低い温度との間の温度に設定される。具体的には、金属箔10が例えばアルミニウム箔である場合、積層体15の焼結温度は例えば550〜620℃に設定される。
The heating temperature of the laminate 15 for sintering the laminate 15, that is, the sintering temperature of the laminate 15 is not limited, and is usually equal to or lower than the melting point of the metal material of the
積層体15中に存在するバインダー2は、この工程S3において積層体15の温度が略室温から積層体15の焼結温度まで上昇するように積層体15を加熱する途中で昇華、分散などにより消失して積層体15から除去される。
The binder 2 existing in the laminate 15 disappears due to sublimation, dispersion, etc. during heating of the laminate 15 so that the temperature of the laminate 15 rises from approximately room temperature to the sintering temperature of the laminate 15 in this step S3. Then, it is removed from the
この工程S3では、積層体15が上述のように加圧加熱されることにより、金属箔10の金属材料の一部が鱗片状黒鉛粒子層11内に浸透して鱗片状黒鉛粒子層11内に存在する微細な空隙(例:鱗片状黒鉛粒子層11中の鱗片状黒鉛粒子間の隙間)に充填されて、当該空隙が略消滅する。これにより、複合材20の密度が上昇するとともに複合材20の強度が向上する。さらに、鱗片状黒鉛粒子1は複合材20の平面方向Aに配向する。
In this step S3, when the laminate 15 is pressurized and heated as described above, a part of the metal material of the
また、金属箔10の金属材料の一部が鱗片状黒鉛粒子層11内に浸透することによって、各鱗片状黒鉛粒子層11中の鱗片状黒鉛粒子1は複合材20の金属マトリックス23中に複合材20の平面方向Aに分散した状態になり、即ち各鱗片状黒鉛粒子層11は図1に示すように複合材20の鱗片状黒鉛粒子分散層21になる。また、各金属箔10は複合材20の金属層22になる。
Further, a part of the metal material of the
したがって、複合材20においては、鱗片状黒鉛粒子分散層21と金属層22は、上述したように複合材20の厚さ方向の略全体に亘って複合材20の厚さ方向Bに交互に複数積層した状態に配列する。
Therefore, in the
本実施形態の複合材20は、上述したように高い熱伝導率を有しているので、パワーモジュール用冷却器の構成層の材料に好適に使用可能であるし、リチウムイオン二次電池(LiB)の電池の構成部材の材料に好適に使用可能である。なお、パワーモジュールはハイブリッドカー(HEV)、電気自動車(EV)、電車などの車両に用いられたり、風力発電、太陽光発電などのエネルギー分野に用いられたりするものである。
Since the
複合材20がパワーモジュール用冷却器の構成層の材料に使用される場合、複合材20は当該冷却器を構成する複数の層のうち配線層、緩衝層、放熱層(例:ヒートシンク)などの材料に特に好適に使用される。
When the
以上で本発明の一実施形態について説明したが、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 can be variously modified without departing from the gist of the present invention.
次に、本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。ただし本発明は下記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 are shown below. However, the present invention is not limited to the following examples.
<実施例1>
実施例1では、金属−炭素粒子複合材を次の手順で製造した。
<Example 1>
In Example 1, a metal-carbon particle composite was produced by the following procedure.
炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子と、バインダーとしてのポリエチレンオキサイドの3質量%水溶液及びポリビニルアルコールの10質量%水溶液と、溶剤としてのイソプロピルアルコール及び水と、分散剤と表面調整剤とを混合容器内に入れてディスパーによりこれらを撹拌混合して、塗工液を得た。塗工液の粘度は25℃で1000mPa・sであった。 In a mixing container, scaly graphite particles as carbon particles, a 3% by mass aqueous solution of polyethylene oxide as a binder, a 10% by mass aqueous solution of polyvinyl alcohol, isopropyl alcohol and water as solvents, a dispersant and a surface conditioner are mixed. These were stirred and mixed with a disper to obtain a coating liquid. The viscosity of the coating liquid was 1000 mPa · s at 25 ° C.
鱗片状黒鉛粒子の最長軸方向の平均長さは300μmであり、鱗片状黒鉛粒子の平均アスペクト比は30であった。塗工液に含まれる鱗片状黒鉛粒子の含有量は、バインダーと鱗片状黒鉛粒子との合計質量に対して90質量%であった。 The average length of the scaly graphite particles in the longest axial direction was 300 μm, and the average aspect ratio of the scaly graphite particles was 30. The content of the scaly graphite particles contained in the coating liquid was 90% by mass with respect to the total mass of the binder and the scaly graphite particles.
アルミニウム箔(Al箔)の帯状条材の塗工予定表面に塗工液をロールtoロール方式のグラビアコーター(詳述するとダイレクトグラビアコーター)により塗工速度2m/minで層状に塗工し、これにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に鱗片状黒鉛粒子層が形成された塗工箔の条材を得た。 A roll-to-roll gravure coater (specifically, a direct gravure coater) is used to coat the surface of the aluminum foil (Al foil) strip-shaped strip material in layers at a coating speed of 2 m / min. As a result, a strip of coated foil having a scaly graphite particle layer formed on the surface to be coated of the strip of aluminum foil was obtained.
アルミニウム箔の条材の材質はJIS(日本工業規格)アルミニウム合金番号1N30(以下、単に「A1N30」と記する)であり、その厚さは50μm及びその幅は300mmであった。また、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面はアルミニウム箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。 The material of the strip of aluminum foil was JIS (Japanese Industrial Standards) aluminum alloy number 1N30 (hereinafter, simply referred to as "A1N30"), the thickness of which was 50 μm and the width of which was 300 mm. The surface of the aluminum foil strip to be coated was one side of the aluminum foil strip in the thickness direction.
そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は80g/m2であった。 Then, the solvent in the scaly graphite particle layer was evaporated and removed from the scaly graphite particle layer by passing the strip of the coating foil through the drying furnace. The coating amount of the scaly graphite particles in the scaly graphite particle layer was 80 g / m 2 .
次いで、塗工箔の条材を正方形状(その寸法:横50mm×縦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12枚積層することで積層体を形成した。
Next, the strip of the coating foil was cut into a square shape (its dimensions:
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(SPS装置)により真空雰囲気中にて積層体をその厚さ方向(即ち塗工箔の積層方向)に加圧しながら所定の焼結条件で加熱することにより積層体を焼結した。これにより、金属−炭素粒子複合材としてのアルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは1mmであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して40体積%であった。 Next, a discharge plasma sintering device (SPS device) as a pressure heating sintering device pressurizes the laminate in the thickness direction (that is, the lamination direction of the coating foil) in a vacuum atmosphere while determining predetermined sintering conditions. The laminate was sintered by heating with. As a result, an aluminum-scaly graphite particle composite material as a metal-carbon particle composite material was obtained. The thickness of the composite material was 1 mm. The volume content of the scaly graphite particles in the composite material was 40% by volume with respect to the volume of the composite material.
この焼結に適用した焼結条件は次のとおりであった。 The sintering conditions applied to this sintering were as follows.
焼結温度は620℃、焼結温度の保持時間(即ち焼結時間)は3時間、室温からの昇温速度は20℃/min、積層体への加圧力は20MPa、真空度は3Paであった。また、積層体を室温から焼結温度620℃まで加熱する途中で昇温を一旦停止することで、積層体からのバインダーの除去を行った。この際に適用したバインダーの除去条件は次のとおりであった。 The sintering temperature is 620 ° C., the holding time of the sintering temperature (that is, the sintering time) is 3 hours, the rate of temperature rise from room temperature is 20 ° C./min, the pressing force on the laminate is 20 MPa, and the degree of vacuum is 3 Pa. It was. Further, the binder was removed from the laminate by temporarily stopping the temperature rise while heating the laminate from room temperature to the sintering temperature of 620 ° C. The conditions for removing the binder applied at this time were as follows.
バインダーを除去するための積層体の加熱温度は450℃、その保持時間は30minであった。 The heating temperature of the laminate for removing the binder was 450 ° C., and the holding time was 30 min.
複合材は、金属マトリックスとしてのアルミニウムが鱗片状黒鉛粒子間に十分に浸透しており、複合材の内部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%であり、複合材の焼結状態は良好であった。 In the composite material, aluminum as a metal matrix has sufficiently penetrated between the scaly graphite particles, there are almost no voids inside the composite material, and the density of the composite material is 99% of the theoretical density of the composite material. The sintered state of the composite material was good.
また、複合材の平面方向の熱伝導率は442W/(m・K)であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。 The thermal conductivity of the composite material in the plane direction was 442 W / (m · K), which was higher than the thermal conductivity of aluminum.
また、複合材をその厚さ方向に切断した断面について1.5mm(複合材の平面方向)×1.0mm(複合材の厚さ方向)の視野範囲を光学顕微鏡(倍率:75倍)により撮影した断面組織写真を用いて、アルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを上述の実施形態に記載の定義に従ってそれぞれ算出した。その結果、アルミニウム層の平均厚さは52μm、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは33μmであった。したがって、Xは0.63であった。 In addition, the cross section of the composite material cut in the thickness direction was photographed with an optical microscope (magnification: 75 times) in a visual field range of 1.5 mm (planar direction of the composite material) x 1.0 mm (thickness direction of the composite material). The average thickness of the aluminum layer and the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer were calculated according to the definitions described in the above-described embodiment, respectively, using the cross-sectional microstructure photograph. As a result, the average thickness of the aluminum layer was 52 μm, and the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer was 33 μm. Therefore, X was 0.63.
また、複合材から50mm×10mmの曲げ加工試験片(厚さ1mm)を切り出し、当該試験片について曲げ半径3mmの90°曲げ加工をしたところ、試験片のアルミニウム層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離や破断は見られなかった。
Further, a 50 mm × 10 mm bending test piece (
<実施例2>
実施例1で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成のアルミニウム箔の条材を準備した。
<Example 2>
The same coating liquid as the coating liquid used in Example 1 was prepared. Moreover, as the strip material of the metal foil, the strip material of the aluminum foil having the following composition was prepared.
アルミニウム箔の条材の材質はA1N30であり、その厚さは15μm及びその幅は300mmであった。また、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面はアルミニウム箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。 The material of the strip material of the aluminum foil was A1N30, the thickness of which was 15 μm, and the width of which was 300 mm. The surface of the aluminum foil strip to be coated was one side of the aluminum foil strip in the thickness direction.
次いで、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に塗工液を実施例1と同じ塗工方法で塗工し、これにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に鱗片状黒鉛粒子層が形成された塗工箔の条材を得た。 Next, the coating liquid was applied to the planned coating surface of the aluminum foil strip by the same coating method as in Example 1, whereby a scaly graphite particle layer was formed on the planned coating surface of the aluminum foil strip. A strip of coated foil was obtained.
そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は25g/m2であった。 Then, the solvent in the scaly graphite particle layer was evaporated and removed from the scaly graphite particle layer by passing the strip of the coating foil through the drying furnace. The coating amount of the scaly graphite particles in the scaly graphite particle layer was 25 g / m 2 .
次いで、塗工箔の条材から実施例1と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を40枚積層することで積層体を形成した。 Next, a plurality of coating foils having the same dimensions and shapes as in Example 1 were cut out from the strip material of the coating foil. Then, a laminated body was formed by laminating 40 coating foils.
次いで、積層体を実施例1と同じ焼結装置及び焼結条件で焼結し、これにより、アルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは1mmであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して40体積%であった。 Next, the laminate was sintered under the same sintering apparatus and sintering conditions as in Example 1 to obtain an aluminum-scaly graphite particle composite material. The thickness of the composite material was 1 mm. The volume content of the scaly graphite particles in the composite material was 40% by volume with respect to the volume of the composite material.
複合材は、金属マトリックスとしてのアルミニウムが鱗片状黒鉛粒子間に十分に浸透しており、複合材の内部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%であり、複合材の焼結状態は良好であった。 In the composite material, aluminum as a metal matrix has sufficiently penetrated between the scaly graphite particles, there are almost no voids inside the composite material, and the density of the composite material is 99% of the theoretical density of the composite material. The sintered state of the composite material was good.
また、複合材の平面方向の熱伝導率は436W/(m・K)であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。 The thermal conductivity of the composite material in the plane direction was 436 W / (m · K), which was higher than the thermal conductivity of aluminum.
また、複合材のアルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例1と同じ方法でそれぞれ算出したところ、アルミニウム層の平均厚さは16μm、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは10μmであった。したがって、Xは0.63であった。 Further, when the average thickness of the aluminum layer of the composite material and the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer were calculated by the same method as in Example 1, the average thickness of the aluminum layer was 16 μm, and the scaly graphite particle dispersion layer had an average thickness of 16 μm. The average thickness was 10 μm. Therefore, X was 0.63.
また、複合材から実施例1と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例1と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、試験片のアルミニウム層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離や破断は見られなかった。 Further, when a bending test piece having the same dimensions and shape as in Example 1 was cut out from the composite material and the test piece was bent under the same bending conditions as in Example 1, the aluminum layer and scaly graphite particles of the test piece were obtained. No systematic peeling or breakage was observed in the dispersed layer.
<実施例3>
実施例1で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成のアルミニウム箔の条材を準備した。
<Example 3>
The same coating liquid as the coating liquid used in Example 1 was prepared. Moreover, as the strip material of the metal foil, the strip material of the aluminum foil having the following composition was prepared.
アルミニウム箔の条材の材質はA1N30であり、その厚さは20μm及びその幅は300mmであった。また、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面はアルミニウム箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。 The material of the strip of aluminum foil was A1N30, the thickness of which was 20 μm, and the width of which was 300 mm. The surface of the aluminum foil strip to be coated was one side of the aluminum foil strip in the thickness direction.
次いで、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に塗工液を実施例1と同じ塗工方法で塗工し、これにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に鱗片状黒鉛粒子層が形成された塗工箔の条材を得た。 Next, the coating liquid was applied to the planned coating surface of the aluminum foil strip by the same coating method as in Example 1, whereby a scaly graphite particle layer was formed on the planned coating surface of the aluminum foil strip. A strip of coated foil was obtained.
そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は10g/m2であった。 Then, the solvent in the scaly graphite particle layer was evaporated and removed from the scaly graphite particle layer by passing the strip of the coating foil through the drying furnace. The coating amount of the scaly graphite particles in the scaly graphite particle layer was 10 g / m 2 .
次いで、塗工箔の条材から実施例1と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を40枚積層することで積層体を形成した。 Next, a plurality of coating foils having the same dimensions and shapes as in Example 1 were cut out from the strip material of the coating foil. Then, a laminated body was formed by laminating 40 coating foils.
次いで、積層体を実施例1と同じ焼結装置及び焼結条件で焼結し、これにより、アルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは1mmであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して17体積%であった。 Next, the laminate was sintered under the same sintering apparatus and sintering conditions as in Example 1 to obtain an aluminum-scaly graphite particle composite material. The thickness of the composite material was 1 mm. The volume content of the scaly graphite particles in the composite material was 17% by volume with respect to the volume of the composite material.
複合材は、金属マトリックスとしてのアルミニウムが鱗片状黒鉛粒子間に十分に浸透しており、複合材の内部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%であり、複合材の焼結状態は良好であった。 In the composite material, aluminum as a metal matrix has sufficiently penetrated between the scaly graphite particles, there are almost no voids inside the composite material, and the density of the composite material is 99% of the theoretical density of the composite material. The sintered state of the composite material was good.
また、複合材の平面方向の熱伝導率は320W/(m・K)であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。 The thermal conductivity of the composite material in the plane direction was 320 W / (m · K), which was higher than the thermal conductivity of aluminum.
また、複合材のアルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例1と同じ方法でそれぞれ算出したところ、アルミニウム層の平均厚さは21μm、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは4μmであった。したがって、Xは0.19であった。
Further, when the average thickness of the aluminum layer of the composite material and the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer were calculated by the same method as in Example 1, the average thickness of the aluminum layer was 21 μm, and the scaly graphite particle dispersion layer had an average thickness of 21 μm. The average thickness was 4 μm. Therefore, X is was 0.1 9.
また、複合材から実施例1と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例1と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、試験片のアルミニウム層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離や破断は見られなかった。 Further, when a bending test piece having the same dimensions and shape as in Example 1 was cut out from the composite material and the test piece was bent under the same bending conditions as in Example 1, the aluminum layer and scaly graphite particles of the test piece were obtained. No systematic peeling or breakage was observed in the dispersed layer.
<実施例4>
実施例1で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成のアルミニウム箔の条材を準備した。
<Example 4>
The same coating liquid as the coating liquid used in Example 1 was prepared. Moreover, as the strip material of the metal foil, the strip material of the aluminum foil having the following composition was prepared.
アルミニウム箔の条材の材質はA1N30であり、その厚さは15μm及びその幅は300mmであった。また、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面はアルミニウム箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。 The material of the strip material of the aluminum foil was A1N30, the thickness of which was 15 μm, and the width of which was 300 mm. The surface of the aluminum foil strip to be coated was one side of the aluminum foil strip in the thickness direction.
次いで、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に塗工液を実施例1と同じ塗工方法で塗工し、これにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に鱗片状黒鉛粒子層が形成された塗工箔の条材を得た。 Next, the coating liquid was applied to the planned coating surface of the aluminum foil strip by the same coating method as in Example 1, whereby a scaly graphite particle layer was formed on the planned coating surface of the aluminum foil strip. A strip of coated foil was obtained.
そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は36g/m2であった。 Then, the solvent in the scaly graphite particle layer was evaporated and removed from the scaly graphite particle layer by passing the strip of the coating foil through the drying furnace. The coating amount of the scaly graphite particles in the scaly graphite particle layer was 36 g / m 2 .
次いで、塗工箔の条材から実施例1と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を33枚積層することで積層体を形成した。 Next, a plurality of coating foils having the same dimensions and shapes as in Example 1 were cut out from the strip material of the coating foil. Then, a laminated body was formed by laminating 33 coating foils.
次いで、積層体を実施例1と同じ焼結装置及び焼結条件で焼結し、これにより、アルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは1mmであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して50体積%であった。 Next, the laminate was sintered under the same sintering apparatus and sintering conditions as in Example 1 to obtain an aluminum-scaly graphite particle composite material. The thickness of the composite material was 1 mm. The volume content of the scaly graphite particles in the composite material was 50% by volume with respect to the volume of the composite material.
複合材は、金属マトリックスとしてのアルミニウムが鱗片状黒鉛粒子間に十分に浸透しており、複合材の内部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%であり、複合材の焼結状態は良好であった。 In the composite material, aluminum as a metal matrix has sufficiently penetrated between the scaly graphite particles, there are almost no voids inside the composite material, and the density of the composite material is 99% of the theoretical density of the composite material. The sintered state of the composite material was good.
また、複合材の平面方向の熱伝導率は522W/(m・K)であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。 The thermal conductivity of the composite material in the plane direction was 522 W / (m · K), which was higher than the thermal conductivity of aluminum.
また、複合材のアルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例1と同じ方法でそれぞれ算出したところ、アルミニウム層の平均厚さは16μm、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは15μmであった。したがって、Xは0.94であった。 Further, when the average thickness of the aluminum layer of the composite material and the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer were calculated by the same method as in Example 1, the average thickness of the aluminum layer was 16 μm, and the scaly graphite particle dispersion layer had an average thickness of 16 μm. The average thickness was 15 μm. Therefore, X was 0.94.
また、複合材から実施例1と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例1と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、試験片のアルミニウム層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離や破断は見られなかった。 Further, when a bending test piece having the same dimensions and shape as in Example 1 was cut out from the composite material and the test piece was bent under the same bending conditions as in Example 1, the aluminum layer and scaly graphite particles of the test piece were obtained. No systematic peeling or breakage was observed in the dispersed layer.
<実施例5>
実施例1で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成の銅箔(Cu箔)の条材を準備した。
<Example 5>
The same coating liquid as the coating liquid used in Example 1 was prepared. Further, as a strip material of the metal foil, a strip material of copper foil (Cu foil) having the following composition was prepared.
銅箔の条材の材質はC1020であり、その厚さは50μm及びその幅は300mmであった。また、銅箔の条材の塗工予定表面は銅箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。 The material of the strip of copper foil was C1020, the thickness of which was 50 μm, and the width of which was 300 mm. In addition, the planned coating surface of the copper foil strip was the surface on one side of the copper foil strip in the thickness direction.
次いで、銅箔の条材の塗工予定表面に塗工液を実施例1と同じ塗工方法で塗工し、これにより、銅箔の条材の塗工予定表面に鱗片状黒鉛粒子層が形成された塗工箔の条材を得た。 Next, the coating liquid was applied to the planned coating surface of the copper foil strip by the same coating method as in Example 1, whereby a scaly graphite particle layer was formed on the planned coating surface of the copper foil strip. A strip of coated foil was obtained.
そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は80g/m2であった。 Then, the solvent in the scaly graphite particle layer was evaporated and removed from the scaly graphite particle layer by passing the strip of the coating foil through the drying furnace. The coating amount of the scaly graphite particles in the scaly graphite particle layer was 80 g / m 2 .
次いで、塗工箔の条材から実施例1と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を12枚積層することで積層体を形成した。 Next, a plurality of coating foils having the same dimensions and shapes as in Example 1 were cut out from the strip material of the coating foil. Then, a laminated body was formed by laminating 12 coating foils.
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その厚さ方向に加圧しながら所定の焼結条件で加熱することにより積層体を焼結した。これにより、金属−炭素粒子複合材としての銅−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは1mmであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して40体積%であった。 Next, the laminate was sintered by heating the laminate under predetermined sintering conditions while pressurizing the laminate in the thickness direction in a vacuum atmosphere with a discharge plasma sintering apparatus. As a result, a copper-scaly graphite particle composite material as a metal-carbon particle composite material was obtained. The thickness of the composite material was 1 mm. The volume content of the scaly graphite particles in the composite material was 40% by volume with respect to the volume of the composite material.
複合材は、金属マトリックスとしての銅が鱗片状黒鉛粒子間に十分に浸透しており、複合材の内部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%であり、複合材の焼結状態は良好であった。 In the composite material, copper as a metal matrix has sufficiently penetrated between the scaly graphite particles, there are almost no voids inside the composite material, and the density of the composite material is 99% of the theoretical density of the composite material. The sintered state of the composite material was good.
また、複合材の平面方向の熱伝導率は530W/(m・K)であり、銅の熱伝導率よりも高かった。 The thermal conductivity of the composite material in the plane direction was 530 W / (m · K), which was higher than the thermal conductivity of copper.
また、複合材の銅層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例1と同じ方法でそれぞれ算出したところ、銅層の平均厚さは53μm、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは33μmであった。したがって、Xは0.62であった。 Further, when the average thickness of the copper layer of the composite material and the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer were calculated by the same method as in Example 1, the average thickness of the copper layer was 53 μm, and the scaly graphite particle dispersion layer had an average thickness of 53 μm. The average thickness was 33 μm. Therefore, X was 0.62.
また、複合材から実施例1と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例1と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、試験片の銅層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離や破断は見られなかった。 Further, when a bending test piece having the same dimensions and shape as in Example 1 was cut out from the composite material and the test piece was bent under the same bending conditions as in Example 1, the copper layer and scaly graphite particles of the test piece were obtained. No systematic peeling or breakage was observed in the dispersed layer.
<比較例1>
実施例1で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成のアルミニウム箔の条材を準備した。
<Comparative example 1>
The same coating liquid as the coating liquid used in Example 1 was prepared. Moreover, as the strip material of the metal foil, the strip material of the aluminum foil having the following composition was prepared.
アルミニウム箔の条材の材質はA1N30であり、その厚さは6μm及びその幅は300mmであった。また、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面はアルミニウム箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。 The material of the strip of aluminum foil was A1N30, the thickness of which was 6 μm, and the width of which was 300 mm. The surface of the aluminum foil strip to be coated was one side of the aluminum foil strip in the thickness direction.
次いで、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に塗工液を実施例1と同じ塗工方法で塗工し、これにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に鱗片状黒鉛粒子層が形成された塗工箔の条材を得た。 Next, the coating liquid was applied to the planned coating surface of the aluminum foil strip by the same coating method as in Example 1, whereby a scaly graphite particle layer was formed on the planned coating surface of the aluminum foil strip. A strip of coated foil was obtained.
そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は10g/m2であった。 Then, the solvent in the scaly graphite particle layer was evaporated and removed from the scaly graphite particle layer by passing the strip of the coating foil through the drying furnace. The coating amount of the scaly graphite particles in the scaly graphite particle layer was 10 g / m 2 .
次いで、塗工箔の条材から実施例1と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を100枚積層することで積層体を形成した。 Next, a plurality of coating foils having the same dimensions and shapes as in Example 1 were cut out from the strip material of the coating foil. Then, a laminated body was formed by laminating 100 sheets of coating foil.
次いで、積層体を実施例1と同じ焼結装置及び焼結条件で焼結し、これにより、アルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは1mmであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して40体積%であった。 Next, the laminate was sintered under the same sintering apparatus and sintering conditions as in Example 1 to obtain an aluminum-scaly graphite particle composite material. The thickness of the composite material was 1 mm. The volume content of the scaly graphite particles in the composite material was 40% by volume with respect to the volume of the composite material.
複合材は、金属マトリックスとしてのアルミニウムが鱗片状黒鉛粒子間に十分に浸透しており、複合材の内部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%であり、複合材の焼結状態は良好であった。 In the composite material, aluminum as a metal matrix has sufficiently penetrated between the scaly graphite particles, there are almost no voids inside the composite material, and the density of the composite material is 99% of the theoretical density of the composite material. The sintered state of the composite material was good.
また、複合材の平面方向の熱伝導率は438W/(m・K)であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。 The thermal conductivity of the composite material in the plane direction was 438 W / (m · K), which was higher than the thermal conductivity of aluminum.
また、複合材のアルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例1と同じ方法でそれぞれ算出したところ、アルミニウム層の平均厚さは6μm、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは4μmであった。したがって、Xは0.67であった。 Further, when the average thickness of the aluminum layer of the composite material and the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer were calculated by the same method as in Example 1, the average thickness of the aluminum layer was 6 μm, and the scaly graphite particle dispersion layer had an average thickness of 6 μm. The average thickness was 4 μm. Therefore, X was 0.67.
また、複合材から実施例1と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例1と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、試験片のアルミニウム層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離と破断が見られた。 Further, when a bending test piece having the same dimensions and shape as in Example 1 was cut out from the composite material and the test piece was bent under the same bending conditions as in Example 1, the aluminum layer and scaly graphite particles of the test piece were obtained. Systematic peeling and fracture were observed for the dispersed layer.
<比較例2>
実施例1で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成のアルミニウム箔の条材を準備した。
<Comparative example 2>
The same coating liquid as the coating liquid used in Example 1 was prepared. Moreover, as the strip material of the metal foil, the strip material of the aluminum foil having the following composition was prepared.
アルミニウム箔の条材の材質はA1N30であり、その厚さは15μm及びその幅は300mmであった。また、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面はアルミニウム箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。 The material of the strip material of the aluminum foil was A1N30, the thickness of which was 15 μm, and the width of which was 300 mm. The surface of the aluminum foil strip to be coated was one side of the aluminum foil strip in the thickness direction.
次いで、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に塗工液を実施例1と同じ塗工方法で塗工し、これにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に鱗片状黒鉛粒子層が形成された塗工箔の条材を得た。 Next, the coating liquid was applied to the planned coating surface of the aluminum foil strip by the same coating method as in Example 1, whereby a scaly graphite particle layer was formed on the planned coating surface of the aluminum foil strip. A strip of coated foil was obtained.
そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は80g/m2であった。 Then, the solvent in the scaly graphite particle layer was evaporated and removed from the scaly graphite particle layer by passing the strip of the coating foil through the drying furnace. The coating amount of the scaly graphite particles in the scaly graphite particle layer was 80 g / m 2 .
次いで、塗工箔の条材から実施例1と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を20枚積層することで積層体を形成した。 Next, a plurality of coating foils having the same dimensions and shapes as in Example 1 were cut out from the strip material of the coating foil. Then, a laminated body was formed by laminating 20 coating foils.
次いで、積層体を実施例1と同じ焼結装置及び焼結条件で焼結し、これにより、アルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは1mmであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して70体積%であった。 Next, the laminate was sintered under the same sintering apparatus and sintering conditions as in Example 1 to obtain an aluminum-scaly graphite particle composite material. The thickness of the composite material was 1 mm. The volume content of the scaly graphite particles in the composite material was 70% by volume with respect to the volume of the composite material.
複合材は、金属マトリックスとしてのアルミニウムが鱗片状黒鉛粒子間にあまり浸透しておらず、複合材の内部において鱗片状黒鉛粒子間とアルミニウム箔間にそれぞれ空隙が存在しており、複合材の焼結状態はあまり良くなく、複合材の熱伝導率を測定することができなかった。 In the composite material, aluminum as a metal matrix does not penetrate much between the scaly graphite particles, and voids exist between the scaly graphite particles and the aluminum foil inside the composite material, respectively, and the composite material is fired. The bonding condition was not very good, and the thermal conductivity of the composite material could not be measured.
また、複合材のアルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例1と同じ方法でそれぞれ算出したところ、アルミニウム層の平均厚さは16μm、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは33μmであった。したがって、Xは2.1であった。 Further, when the average thickness of the aluminum layer of the composite material and the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer were calculated by the same method as in Example 1, the average thickness of the aluminum layer was 16 μm, and the scaly graphite particle dispersion layer had an average thickness of 16 μm. The average thickness was 33 μm. Therefore, X was 2.1.
また、複合材から実施例1と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例1と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、試験片のアルミニウム層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離と破断が見られた。 Further, when a bending test piece having the same dimensions and shape as in Example 1 was cut out from the composite material and the test piece was bent under the same bending conditions as in Example 1, the aluminum layer and scaly graphite particles of the test piece were obtained. Systematic peeling and fracture were observed for the dispersed layer.
<比較例3>
実施例1で用いた鱗片状黒鉛粒子と同じ鱗片状黒鉛粒子を準備した。また、アルミニウムペーストを準備した。アルミニウムペーストは、鱗片状アルミニウム粉末にミネラルスピリット及び脂肪酸が添加された、アルミニウムの固形分が70質量%のものであった。
<Comparative example 3>
The same scaly graphite particles as those used in Example 1 were prepared. Also, an aluminum paste was prepared. The aluminum paste was a scaly aluminum powder to which mineral spirit and fatty acid were added, and the solid content of aluminum was 70% by mass.
次いで、鱗片状黒鉛粒子61gとアルミニウムペースト160gと10%ポリスチレン−クメン溶液100gとを混合、混練及び分散してペースト状にした。そして、このペースト状物をドクターブレード法によりPETシート上にシート成形し、その後、1日の間、風乾した。次いで、PETシートを剥がすことによりアルミニウム粉末−鱗片状黒鉛粒子のグリーンシートを製作した。グリーンシートの厚さは1mmであった。 Next, 61 g of scaly graphite particles, 160 g of aluminum paste, and 100 g of 10% polystyrene-cumene solution were mixed, kneaded, and dispersed to form a paste. Then, this paste-like product was sheet-molded on a PET sheet by the doctor blade method, and then air-dried for one day. Then, the PET sheet was peeled off to produce a green sheet of aluminum powder-scaly graphite particles. The thickness of the green sheet was 1 mm.
次いで、グリーンシートから実施例1と同じ寸法及び形状のシート素片を複数切り出した。そして、シート素片を10枚積層することで積層体を形成した。 Next, a plurality of sheet pieces having the same dimensions and shape as in Example 1 were cut out from the green sheet. Then, a laminated body was formed by laminating 10 sheet pieces.
次いで、積層体を実施例1と同じ焼結装置及び焼結条件で焼結し、これにより、アルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは1mmであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して40体積%であった。 Next, the laminate was sintered under the same sintering apparatus and sintering conditions as in Example 1 to obtain an aluminum-scaly graphite particle composite material. The thickness of the composite material was 1 mm. The volume content of the scaly graphite particles in the composite material was 40% by volume with respect to the volume of the composite material.
複合材は、金属マトリックスとしてのアルミニウムが鱗片状黒鉛粒子間に十分に浸透しており、複合材の内部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%であり、複合材の焼結状態は良好であった。 In the composite material, aluminum as a metal matrix has sufficiently penetrated between the scaly graphite particles, there are almost no voids inside the composite material, and the density of the composite material is 99% of the theoretical density of the composite material. The sintered state of the composite material was good.
また、複合材の平面方向の熱伝導率は440W/(m・K)であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。なお、この複合材では、複合材の平面方向とは積層体の焼結時に積層体を加圧した方向に垂直な方向を意味する。 The thermal conductivity of the composite material in the plane direction was 440 W / (m · K), which was higher than the thermal conductivity of aluminum. In this composite material, the plane direction of the composite material means a direction perpendicular to the direction in which the laminated body is pressed during sintering of the laminated body.
また、複合材では、金属マトリックスとしてのアルミニウム中に複合材の平面方向に配向した鱗片状黒鉛粒子が三次元的にランダムに分散しており、アルミニウム層の平均厚さ及び鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さをそれぞれ定義することができなかった。 Further, in the composite material, scaly graphite particles oriented in the plane direction of the composite material are three-dimensionally and randomly dispersed in aluminum as a metal matrix, and the average thickness of the aluminum layer and the scaly graphite particle dispersion layer are dispersed. It was not possible to define the average thickness of each.
また、複合材から実施例1と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例1と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、アルミニウムマトリックス組織、及びアルミニウム/鱗片状黒鉛粒子界面について組織的な剥離と破断が見られた。 Further, when a bending test piece having the same dimensions and shape as in Example 1 was cut out from the composite material and the test piece was bent under the same bending conditions as in Example 1, the aluminum matrix structure and aluminum / scaly graphite were obtained. Systematic peeling and breakage were observed at the particle interface.
以上の結果を表1にまとめて示す。 The above results are summarized in Table 1.
なお、同表中の「曲げ加工試験の評価」欄における符号の意味は次のとおりである。 The meanings of the symbols in the "evaluation of bending test" column in the same table are as follows.
○:良好
×:不良(破断)
◯: Good ×: Defective (broken)
本発明は、金属マトリックス中に炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子が分散した金属−炭素粒子複合材に利用可能である。 The present invention can be used for a metal-carbon particle composite material in which scaly graphite particles as carbon particles are dispersed in a metal matrix.
1:鱗片状黒鉛粒子
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:鱗片状黒鉛粒子層
12:塗工箔
12A:塗工箔の条材
15:積層体
20:金属−炭素粒子複合材複合材
21:鱗片状黒鉛粒子分散層
22:金属層
23:金属マトリックス
30:塗工装置
1: Scale-like graphite particles 2: Binder 3: Solvent 5: Coating liquid 10:
Claims (2)
前記金属層の平均厚さが16〜100μmの範囲であり、
前記鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さが4〜100μmの範囲であり、
前記金属層の平均厚さと前記鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さとの比率を1:Xとするとき、Xが0.19〜1の範囲である金属−炭素粒子複合材。 A metal layer made of a metal matrix and a scaly graphite particle dispersion layer in which scaly graphite particles are dispersed in the metal matrix are joined and integrated in a state of being alternately laminated.
The average thickness of the metal layer is in the range of 16 to 100 μm.
The average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer is in the range of 4 to 100 μm.
A metal-carbon particle composite material in which X is in the range of 0.1 9 to 1, where the ratio of the average thickness of the metal layer to the average thickness of the scaly graphite particle dispersion layer is 1: X.
The metal-carbon particle composite according to claim 1, wherein the metal matrix is aluminum or copper.
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