JPWO2006051782A1 - 金属基炭素繊維複合材料およびその製造方法 - Google Patents

金属基炭素繊維複合材料およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

一般に用いられている安価な材料を用い、溶湯法で用いられるよりも少ないエネルギーによって作製することができ、広範囲の寸法および形状（特に大面積）を有する優れた熱伝導性かつ軽量な金属基炭素繊維複合材料を提供する。金属と炭素繊維とを加熱圧接させて得られる金属基炭素繊維複合材料であって、金属層と炭素繊維含有金属層が交互に積み重なった構造を有する金属基炭素繊維複合材料。該材料は、シート状もしくはフォイル状の金属支持体上に炭素繊維を付着させて、プリフォームを形成する工程と、プリフォームを積み重ねて、プリフォーム積層体を形成する工程と、プリフォーム積層体を真空中または非酸化雰囲気中で加熱圧接して、前記プリフォーム同士を一体化させる工程とを備えた方法により製造することができる。

Description

本発明は金属基炭素繊維複合材料およびその製造方法に関する。詳細には、常温から数百℃で作動する装置の放熱に適した高熱伝導率を有する金属基炭素繊維複合材料およびその製造方法に関し、より詳細には金属層と炭素繊維を含有する金属層が交互に積み重なった構造を有する金属基炭素繊維複合材料ならびにその製造方法に関する。
従来、半導体を用いた電子装置もしくはパワーモジュールの放熱部材（基板、ヒートシンク、ヒートスプレッダなど）あるいは機械装置の発熱部周辺部材として、アルミニウム、銅またはそれらの合金が、その優れた加工性および比較的高い熱伝導率のために、主に用いられている。また、さらに優れた熱伝導性および／または絶縁性が求められる場合には、グラファイト、あるいはベリリア、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素などの高熱伝導材料が用いられているが、これらの材料は高コストであるため多用されるに至っていない。しかしながら、前述の装置の高性能化に伴い、それら装置の発熱量が増大する傾向が顕著である。さらに、それら装置の小型軽量化に伴い、放熱部材の小型軽量化が求められ、さらにまた、高性能で安価な放熱部材が求められてきている。
この問題に関して、アルミニウム、銅などの金属もしくは合金よりも高い熱伝導率を有するグラファイトが使用されてはいるものの、グラファイトから発生および飛散する炭素粉が周辺の電子回路に支障を及ぼすという問題を抱えている。また、窒化珪素などの高熱伝導性セラミックスも、ハイブリッドカー制御部のＬＳＩ用ヒートシンクなどに用いられてきてはいるが、さらに優れた熱伝導性と大幅な価格ダウンをユーザーから求められており、セラミックス系材料ではそのような要請には応えられない状況にある。
このような現状に鑑み、優れた熱伝導性を有し、かつ軽量である炭素繊維を用いた金属基炭素繊維複合材料が注目されてきている。そのような金属基炭素繊維複合材料は、炭素繊維を配列、整列、編み込むなどして固めた予備成型体（プリフォーム）に対して、アルミニウムなどの金属の溶湯を加圧または非加圧で含浸させる溶湯含浸法によって形成されるのが一般的である（特許文献１参照）。
溶湯含浸法によって金属基炭素繊維複合材料を形成する際の問題は、金属溶湯が高い温度を有することによっておこる炭素繊維と溶湯中の金属との化学反応による金属炭化物の生成である。たとえば、アルミニウムを用いる場合、アルミニウム溶湯は約７００℃という高い温度を有し、溶湯中のアルミニウムと炭素繊維との反応によるＡｌ４Ｃ３の生成がある。生成したＡｌ４Ｃ３などの炭化物は、常温における水または水蒸気との接触により、メタンなどの炭化水素ガスおよび金属水酸化物へと変質し、炭素繊維と母材（マトリクス）の金属との間に空隙が生じ、複合材料の強度および熱伝導率が大きく低下することが知られている。
溶湯含浸法における炭化物の形成を抑制するための方法として、炭素繊維に対して、セラミックコーティング（特許文献２参照）またはフッ素のコーティング（特許文献３参照）のような表面処理を施す方法が検討されてきている。あるいはまた、炭素を主成分とするバインダー（ピッチ系樹脂など）を用いて、炭素繊維のプリフォームを形成する方法（特許文献４参照）、または溶湯として用いる金属を合金化して、溶湯の温度を低下させて溶湯含浸時の反応を抑制すること（特許文献５参照）が検討されてきている。
しかしながら、前述のように炭素繊維にコーティングを施す方法、および炭素を主成分とするバインダーによってプリフォームを形成する方法は、追加の工程および材料などを必要とし、複合材料のコストの増大を招く可能性がある。また、溶湯として合金を用いる方法においては、該合金を準備する工程が必要となる。さらに、いずれの方法においても、マトリクスとして用いる金属ないし合金を溶湯とするために高温が必要であり、多くのエネルギーを必要とする。
特開２００２−１９４５１５号公報 特開２００１−３００７１７号公報 特開平５−１２５５６２号公報 特開２０００−３０３１５５号公報 特開平１１−２５６２５４号公報
以上の先行技術に鑑みて、本発明の課題は、一般に用いられている安価な材料を用い、溶湯法で用いられるよりも少ないエネルギーによって作製することができ、広範囲の寸法および形状（特に大面積）を有する優れた熱伝導性かつ軽量な金属基炭素繊維複合材料を提供することである。このような金属基炭素繊維複合材料は、放熱対策に苦慮しているパーソナルコンピュータ、液晶パネル、プラズマデスプレイパネルなどに応用することが可能である。
また、本発明の別の課題は、一般に用いられている安価な材料を用い、溶湯法で問題となっている金属炭化物の生成を抑制または排除し、より少ないエネルギーによって実施することが可能であり、かつ広範囲の寸法および形状（特に大面積）を得ることができる金属基炭素繊維複合材料の製造方法を提供することである。
本発明の第１の実施形態である金属基炭素繊維複合材料は、金属と炭素繊維とを加熱圧接させて得られ、前記金属層と炭素繊維含有金属層が交互に積み重なった構造を有することを特徴とする。ここで、前記炭素繊維が整列されていることが望ましい。また、前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、カーボンナノファイバー、気相成長炭素繊維、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブ、およびこれらの集合体もしくは撚合ワイヤーからなる群から選択される単体もしくは複合体から形成することができ、あるいはそれら炭素繊維に対して、再加熱処理などの後処理加工を施してもよい。前記金属は、銅、アルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金からなる群から選択することができる。
本発明の第２の実施形態である金属基炭素繊維複合材料の製造方法の１つの態様は、シート状もしくはフォイル状の金属支持体上に炭素繊維を付着させて、プリフォームを形成する工程と；前記プリフォームを積み重ねて、プリフォーム積層体を形成する工程と；前記プリフォーム積層体を真空中または非酸化雰囲気中で加熱圧接して、前記プリフォーム同士を一体化させる工程とを備えたことを特徴とする。ここで、前記プリフォームを形成する工程は、炭素繊維と金属粉とを混合した混合物を前記金属支持体上に塗布することによって実施されてもよい。
本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の別の態様は、炭素繊維を有機バインダーおよび溶剤と混合して塗布混合物を準備する工程と；シート状もしくはフォイル状の金属支持体上に前記塗布混合物を付着させて、金属支持体上に炭素繊維含有被膜が形成されたプリフォームを形成する工程と；前記プリフォームを積み重ねて、プリフォーム積層体を形成する工程と；前記プリフォーム積層体を真空中または非酸化雰囲気中で加熱圧接して、前記プリフォーム同士を一体化させる工程とを備えたことを特徴とする。ここで、前記金属支持体上に塗布された炭素繊維含有被膜が、前記金属支持体全体を覆ってもよいし、あるいは、１方向には連続し、それと直交する方向には不連続であってもよい。また、前記塗布混合物の付着は、たとえばノズルプリント法などの方法によって、前記塗布混合物中の炭素繊維を整列させながら実施され、製造される金属基炭素繊維複合材料中で炭素繊維が整列された構造を維持されてもよい。あるいはまた、前記塗布混合物の付着を、スプレードライ法により実施してもよい。
以上のような構成をとることによって、半導体を用いた電子装置、あるいは発熱部を有する機器、装置の放熱部材として有用な、軽量で高い熱伝導率を有する金属基炭素繊維複合材料を得ることができる。本発明の製造方法は、とくに板状の高熱伝導材料を安価に提供することに優れており、ノート型パーソナルコンピュータ、液晶表示装置、プラズマディスプレイ、有機ＥＬ表示装置などの放熱基板の提供に有用であり、本発明の価値はきわめて大きい。
図１Ａは、連続繊維である炭素繊維を整列させる場合の、本発明の金属基炭素繊維複合材料およびその製造工程を示す概略図である。 図１Ｂは、短繊維である炭素繊維をランダムに配列させる場合の、本発明の金属基炭素繊維複合材料およびその製造工程を示す概略図である。 図１Ｃは、短繊維である炭素繊維を整列させる場合の、本発明の金属基炭素繊維複合材料およびその製造工程を示す概略図である。 図２は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程Ｉの一例を示す図である。 図３は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程Ｉの一例（ノズルプリント法）を示す図である。 図４Ａは、ノズルプリント法に用いられる、整流板を有するノズル先端部を示す図である。 図４Ｂは、ノズルプリント法に用いられる、電解印加手段を有するノズル先端部を示す図である。 図４Ｃは、ノズルプリント法に用いられる、磁界印加手段を有するノズル先端部を示す図である。 図５は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程Ｉの一例を示す図である。 図６は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程IIの一例を示す図である。 図７は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程IIIの一例を示す図である。 図８Ａは、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程IVにおいて、ホットプレス法を用いる一例を示す図である。 図８Ｂは、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程IVにおいて、パルス通電焼結法を用いる一例を示す図である。 図９は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程IVの一例であり、熱間加圧ロールを使用する例を示す図である。 図１０は、実施例３によって得られた金属基炭素繊維複合材料の光学顕微鏡写真である。 図１１は、実施例３によって得られた金属基炭素繊維複合材料の走査電子顕微鏡写真である。 図１２は、実施例４によって得られた金属基炭素繊維複合材料の走査電子顕微鏡写真である。
本発明の第１の実施形態は、図１Ａ〜図１Ｃに示すような金属と炭素繊維から構成され、金属層と炭素繊維含有金属層が交互に積み重なった構造を有する金属基炭素繊維複合材料６である。図１Ａにおいては、連続繊維である炭素繊維２を用いて形成される金属基炭素繊維複合材料６ａの模式図を示す。また、図１Ｂおよび図１Ｃにおいては、短繊維である炭素繊維２を用いて形成される金属基炭素繊維複合材料６ｂおよび６ｃの模式図を示す（ここで、金属基炭素繊維複合材料６ｂは炭素繊維２がランダムに配列された材料であり、金属基炭素繊維複合材料６ｃは炭素繊維２が一方向に整列された材料である）。本発明の金属基炭素繊維複合材料６中に用いられる金属は、熱伝導率と加工性の観点より、銅、アルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金からなる群から選択することができる。金属層は、自立性のシート（厚さ５０μｍ〜５００μｍ）、または自立性のフォイル（厚さ１００ｎｍ〜５０μｍ）から形成することができる。以下の本明細書において、金属シートおよび金属フォイルを、金属支持体と総称する場合がある。
本発明の金属基炭素繊維複合材料６中に用いられる炭素繊維２は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系あるいはＰＡＮ系炭素繊維を加熱再処理した炭素繊維（これらの炭素繊維は直径１μｍ〜１０μｍ、長さ５０ｍｍ以上の連続繊維として扱えるもの、あるいは直径同等、長さ１ｍｍから５０ｍｍのチョップドファイバー）、気相成長炭素繊維（直径１０ｎｍ〜４０μｍ、長さ１μｍ〜５０ｍｍ）、カーボンナノファイバー（直径１０ｎｍ〜４０ｎｍ、長さ１μｍ〜５０ｍｍ）、シングルウォールカーボンナノチューブ（直径１．４ｎｍ〜１０ｎｍ、長さ１μｍ〜５０ｍｍ）、マルチウォールカーボンナノチューブ（直径２ｎｍ〜４０μｍ、長さ１μｍ〜５０ｍｍ）、あるいはこれらの集合体、さらにはカーボンナノファイバーやカーボンナノチューブを撚合、紡糸したワイヤーからなる群より選択されたものでもよい。あるいはまた、本発明の金属基炭素繊維複合材料６においては、１種の炭素繊維を単体として用いてもよいし、または複数種の炭素繊維を混合した複合体を、炭素繊維２として用いてもよい。
さらに、これらの炭素繊維類は、２０００℃〜３０００℃の不活性雰囲気中での熱処理（再加熱処理）により、剛性や熱伝導率が向上する。このため、複合材料に求められる特性に応じた熱処理を施したこれら炭素繊維類を用いることも可能である。
本発明における炭素繊維含有金属層は、前述の炭素繊維２と金属支持体１とを接触させた状態で加熱圧接して、金属支持体１の一部を塑性変形させて炭素繊維２の周囲を取り巻くようにして形成することができる。あるいはまた、炭素繊維２と、接合補助材としての金属粉末３の粒子との混合物を金属支持体１上に配設して熱および圧力を印加して、金属粉末３の粒子の融着および金属支持体１の一部の塑性変形によって炭素繊維含有金属層を形成してもよい。いずれの場合においても、金属支持体１の残部が金属層を形成する。
前述の金属層と、炭素繊維含有金属層とを交互に積層する際に、炭素繊維含有金属層に含有される炭素繊維２を１方向に整列させることによって、該金属基炭素繊維複合材料６の炭素繊維整列方向における熱伝導率をさらに向上させることができる。炭素繊維２の整列は、後述のような種々の方法により達成することができる。
本発明の金属基炭素繊維複合材料６は、その積層方向において、０．１〜１０ｍｍ、好ましくは０．１〜３ｍｍの厚さを有するシート状材料として得ることができる。このように薄いシート状材料とした場合、製造後に曲げ変形を加えた場合に、破断などの微細組織的破壊が発生せず、熱的性質（熱伝導率、熱膨張率など）の劣化を防止することができる。前述の範囲内の厚さを有する本発明の金属基炭素繊維複合材料６は、曲率半径３０ｍｍ以下の曲げ変形、より詳細には曲率半径１〜３０ｍｍの曲げ変形を加えても、炭素繊維および金属ともに破断などの微細組織的破壊が発生せず、その熱的性質を維持することができる。
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態の金属基炭素繊維複合材料６を製造する方法であって、金属と該金属中に炭素繊維が分散して存在する金属基炭素繊維層とが交互に積み重なった構成を有する層状構造体を工業的に製造可能とする具体的な方法を提供するものである。
本実施形態の製造方法は：金属支持体１上に炭素繊維２を付着させたプリフォーム４を構成する工程Ｉと；前記プリフォーム４を積層して、プリフォーム積層体５とする工程IIと；積層体５を真空もしくは非酸化雰囲気中で加熱加圧し、前記プリフォーム４同士を圧接して一体化して、金属基炭素繊維複合材料６を得る工程IVとを含むことを特徴とする。工程Ｉにおいてプリフォーム４を構成する際に、金属支持体１の表面上に炭素繊維２を固定する目的で有機バインダーや有機溶剤を用いる場合には、工程IIと工程IVとの間において、前記積層体を炭素繊維表面が酸化されない程度の温度に加熱して、該有機バインダーや有機溶剤を除去する「脱バインダー」工程IIIをさらに実施してもよい。
本発明による金属基炭素繊維複合材料の製造方法は、炭素繊維２のサイズと整列方法、接合補助材としての金属粉末３の使用の有無などの差異により、前述の各工程にバリエーションが存在する。これらの工程の組み合わせによりいくつかの製造方法が構築できる。
工程Ｉは、金属層を形成する金属支持体１と、炭素繊維２とを組み合わせて、プリフォーム４を形成する工程である。この工程において、炭素繊維２は、必ずしも整列させる必要はないが、好ましくは一方向に整列される。炭素繊維２が連続繊維として取り扱える場合と、短繊維として取り扱う場合とで異なる方法が適用できる。
炭素繊維２が連続繊維として取り扱える場合、すなわち、ピッチ系あるいはＰＡＮ系カーボンファイバーや炭素繊維類の撚合ワイヤーのように、長さが５０ｍｍ以上の繊維の場合には、金属支持体１上に、両端から張力をかけながら炭素繊維２を配置するなどの方法を用いて、図１Ａに示すように容易に炭素繊維２を整列させて、プリフォーム４ａを得ることが可能である。加えて、整列前の炭素繊維２にバインダーを塗布するか、金属支持体１上への整列後にバインダーをスプレーなど慣用の方法で塗布して、金属支持体１上に炭素繊維２を固定できる。あるいはまた、金属支持体１同士またはそれらと炭素繊維２との加熱圧接後の接合性を改善する目的で、バインダーと同時または別個に接合補助材としての金属粉末３を付着、固定させることもできる。
工程Ｉにおいて用いることができるバインダーは、後述の工程IIIにおいて、炭素繊維２が酸化されない程度の温度で容易に揮発または焼尽できるものであることが望ましい。好ましくは４００℃以下の温度で揮発または焼尽できるバインダーを用いることができる。具体的には、プルロニック系分散粘結剤、ＰＥＧなどの有機樹脂を用いることができる。また、任意選択的に、バインダーの塗布性および粘性を改善するために、低沸点の有機溶媒をバインダーと混合して用いてもよい。用いることができる有機溶媒は、炭素繊維が酸化されない程度の温度で揮発または焼尽できるものであり、たとえば、酢酸エチル、アセトン、トルエン、１，２−ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテルを含む。
工程Ｉにおいて添加してもよい接合補助材としての金属粉末３は、組み合わせられる金属支持体１と同種の材料で形成されて、加熱圧接後に金属支持体１を形成する材料と一体化することが好ましい。また、金属粉末３の粒径は、用いられる炭素繊維２にも依存するが、金属粉末３の粒径は一般的には１０ｎｍ〜５０μｍの範囲内であることが望ましい。
炭素繊維２を長繊維として取り扱える場合に、特に大量生産に適した例示的形態を図２に示す。金属支持体１を巻出ロール２１から巻取ロール２２へと送る間に、ボビン２３から巻き解いた連続している炭素繊維２を整列させながら金属支持体１上に固定する。また、ボビン２３の数を増やすことによって、同時に１０００本以上の炭素繊維２を金属支持体１上に固定することができる。図２の方法において、巻取ロール２２、ボビン２３、および任意選択の１つまたは複数のテンションロール２４（図２においては２個）を通すことによって、炭素繊維２に対して、張力および金属支持体１への押圧力が付与される。図２の実施形態において、バインダーは、テンションロール２４通過後に炭素繊維２に塗布してもよいし、あるいは金属支持体１上への炭素繊維２の整列後に塗布してもよい。
一方、炭素繊維２を短繊維として取り扱う場合、すなわち、チョップドファイバー、気相成長炭素繊維、カーボンナノファイバー、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブ、あるいはこれらの混合物のように長さが５０ｍｍ以下であり、炭素繊維２を粉末に準じて扱える場合には、炭素繊維２、または炭素繊維２と金属粉末３との粉末状混合物を、金属支持体１上に散布して、図１Ｂに示すような炭素繊維がランダムに配列されたプリフォーム４ｂを形成することができる。粉末混合物の散布後にバインダーまたはバインダーを有機溶媒中に溶解させた溶液をスプレーなどの慣用の方法によって別個に塗布して、粉末混合物を金属支持体１上に固定してもよい。また、自然付着によりバインダーを用いないで固定する方法も適用可能である。
あるいはまた、炭素繊維２と、金属粉末３と、有機溶媒とを混合した塗布混合物７を形成し、金属支持体１上に塗布および固定させてもよい。塗布混合物７は、任意選択的にバインダーを含んでもよい。本工程において用いられる塗布混合物７は、炭素繊維２、金属粉末３、バインダー（存在する場合）を溶媒とともに、ボールミルなどの慣用の攪拌装置中で混合することによって形成される。塗布混合物がバインダーを含まない場合、塗布混合物を金属支持体１上に坦持させた後に、バインダーまたはバインダーを有機溶媒中に溶解させた溶液をスプレーなどの慣用の方法によって別個に塗布してもよい。この場合にも同様に、自然付着によりバインダーを用いないで固定する方法も適用可能である。塗布混合物７の塗布は、図３に示すような塗布混合物７をノズル３１から吐出させて金属支持体１上に炭素繊維２を配置するノズルプリント法、図５に示すような塗布混合物７を金属支持体１上に吹付および乾燥させて炭素繊維２を配置するスプレードライ法、またはスクリーン印刷法などの方法によって行うことができる。塗布混合物を用いる方法を採る場合には、図１Ｂに示すような炭素繊維２がランダムに配列されたプリフォーム４ｂを形成することもできるし、図１Ｃに示すような炭素繊維２が一方向に整列されたプリフォーム４ｃを形成することもできる。
図１Ｃに示すような炭素繊維２が整列されたプリフォーム４ｃを形成する場合には、前述のノズルプリント法が有利に用いられる。たとえば、ノズル３１の出口近傍に吐出方向に平行な整流板を設ける方法（図４Ａ）、ノズル３１の出口近傍の電界印加手段によって吐出方向に平行な電界を印加する方法（図４Ｂ）、あるいはノズル３１の出口近傍の磁界印加手段によって吐出方向に平行な磁界を印加する方法（図４Ｃ）を用いて、ノズル３１を出る炭素繊維を吐出方向に平行に整列させることができる。これらの方法を用いることによって、ノズル３１の走路方向に平行に炭素繊維を整列させることが可能となる。なお、これらの方法を用いる場合には、炭素繊維２のアスペクト比（炭素繊維長さ／炭素繊維直径）が１０以上、好ましくは１００以上であることが望ましい。また、金属支持体１上に炭素繊維２を含有する塗布混合物７を塗布する場合、金属支持体１表面の全面に均一に塗布してもよく、あるいは図３に示すように塗布混合物７を１つの方向（図３においてはノズルの走路方向）において連続させ、それと直交する方向において不連続とさせる縞状構造を有するプリフォーム４ｄを形成してもよい。
一方、図１Ｂに示すような炭素繊維２が整列されていないプリフォーム４ｂを形成する場合には、前述のスプレードライ法を用いることが適当である。図５に示すように吹付装置５１を用いて、金属支持体１上に均一に塗布混合物７を付着させることが望ましい。
工程IIは、図１Ａ〜図１Ｃおよび図３に示されるように、工程Ｉにより調製された炭素繊維類が固定されたプリフォーム４（４ａ〜４ｄのいずれのものを用いてもよい）を所定の枚数積み重ねて、プリフォーム積層体５を形成する工程である。工程IVの加熱圧接の結果得られる金属基炭素繊維複合材料の寸法は、用いられる金属支持体１、炭素繊維２、および存在する場合には接合補助材の金属粉末３の真密度から予測できるため、本工程においてプリフォーム４を積層する枚数は容易に決定することができる。あるいはまた、図２に示した方法で形成される巻取ロール２２に巻き取られたプリフォーム４を用いる場合には、図６に示されるようにプリフォームを巻き解いて裁断して所望の形状を有するプリフォーム４ａを得た後に、所定の枚数のプリフォーム４ａを積み重ねてプリフォーム積層体５を形成することができる。
工程IIIの「脱バインダー」工程は、プリフォーム４形成時にバインダーを用いた場合に実施することが好ましい任意選択の工程である。プリフォーム積層体５を、押圧力を印加することなしに、不活性雰囲気または酸化性雰囲気下において、炭素繊維２の表面が酸化しない程度の温度に加熱することによって、バインダーおよび塗布混合物７中に存在する有機溶媒を焼尽または揮発させて、バインダー不含有プリフォーム積層体８を形成する。なお、金属支持体としてアルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金を用いる場合には、本工程を不活性雰囲気において実施することが好ましい。ここで、加熱温度は、２００〜４００℃の範囲内であることが好ましい。用いることができる不活性雰囲気は、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスなどを含み、または減圧条件を用いてもよい。用いることができる酸化性雰囲気は、空気、酸素富化空気、または純酸素などを含む。本工程は、図７に示すようなたとえば積層セラミックコンデンサーの製造工程で使用されている脱バインダー炉７１などを用いることで、容易に工業化できる。なお、図７においては、コンベア型の炉を示したが、ボックス型炉など当該技術において知られている任意の手段を用いることが可能である。
工程IVの加熱加圧工程は、工程IIで得られるプリフォーム積層体５（バインダー不使用の場合）または工程IIIで得られるバインダー不含有プリフォーム積層体８を真空中または非酸化性雰囲気において、押圧力および熱を印加することにより、金属支持体１および金属粉末３の塑性変形および相互拡散を生じさせ、炭素繊維２の周囲を金属で取り囲むことにより炭素繊維含有金属層を形成し、炭素繊維含有金属層と金属層とが交互に積層された金属基炭素繊維複合材料６を得る工程である。
本工程においては、プリフォーム積層体を、金属支持体としてアルミニウムおよびアルミニウムを基とする合金を用いる場合には、５００〜６５０℃の範囲の温度、金属支持体としてマグネシウムおよびマグネシウムを基とする合金を用いる場合には、５００〜６３０℃の範囲の温度、金属支持体として銅および銅を基とする合金を用いる場合には、８００〜１０５０℃の範囲の温度に加熱する。これらの温度は、慣用の金属溶湯法における金属溶湯の温度よりも低く、したがって本発明の方法においてエネルギー消費量を低減することが可能となる。また、同時に、プリフォーム積層体に対して押圧力を印加する。具体的な押圧力は、金属支持体および金属粉末を構成する材料、所望の圧下率などに依存するが、一般的には２０〜１００ＭＰａ、好ましくは５０〜１００ＭＰａの押圧力を印加する。さらに、本工程における熱および押圧力の印加は、真空（圧力３０Ｐａ以下）中、または窒素、アルゴンなどの不活性ガスのような非酸化性雰囲気下で行って、金属支持体および金属粉末の酸化を抑制することが望ましい。
本工程においては、プリフォーム積層体５またはバインダー不含有プリフォーム積層体８に対して押圧力と熱とを同時に印加することができる種々のタイプの加熱炉を用いることができる。たとえば、小規模の生産においては、図８Ａに示すホットプレス炉、または図８Ｂに示すパルス通電焼結炉を用いることができる。たとえば、図８Ｂに示したパルス通電焼結炉は、２０ｍｍ角穴〜４０ｍｍ角穴の矩形貫通穴を有するダイスと、その上下方向からダイス内の材料を圧縮するための上部および下部ポンチとを有し、それらポンチ間にパルス状の大電流を印加することにより、被圧縮材料の加圧および加熱を行うことができる装置である。大規模生産においては、図９に示すようなシ−ト状金属製造工程で用いられている熱間加圧ロール（ヒータ９１と複数の組の加圧ロール９２とを含む）を適用すれば、高い生産性で大面積の板状の金属基炭素繊維複合材料６を得ることができる。
（実施例１）
本実施例は、連続繊維として取り扱うことができる炭素繊維を用い、該炭素繊維が一方向に整列されている金属基炭素繊維複合材料を提供する。炭素繊維として直径１０μｍ、長さ方向に連続している熱伝導率１０００Ｗ／ｍＫのピッチ系炭素繊維を用い、および金属支持体として厚さ１０μｍのアルミニウムフォイルを用いた。アルミニウムフォイル上への炭素繊維の固定には、図２に示した装置を用い、ボビンに巻かれた炭素繊維を引き出し、張力をかけながら接着剤として低分子量のポリエチレングリコールを塗布した。張力により整列した炭素繊維を巻き解かれたアルミニウムフォイルに貼り付け、接着剤固化後にフォイルを巻き取る工程を連続して行なった。炭素繊維が貼り付けられたアルミニウムフォイル（プリフォーム）をロールから巻き解いて、２００×３００ｍｍの寸法に切り出し、切り出された５００枚を積層し、最上面には炭素繊維の貼り付けが無いアルミニウムフォイルをカバーとして積層して、プリフォーム積層体を得た。このプリフォーム積層体を大気中、３５０℃に加熱することによって、接着剤として用いた低分子量のポリエチレングリコールを除去した。次に、図９に示すような熱間加圧ロール（５組の加圧ロールを備える）を用いて、真空（１０Ｐａ）下、５００℃において、それぞれの加圧ロールにおいて２０ＭＰａの圧力を印加して、圧下率１０％〜３０％においてプリフォーム積層体５を加熱圧接して金属基炭素繊維複合材料６を得た。
この金属基炭素繊維複合材料６は、積層方向において１ｍｍの厚さを有し、総重量を基準として４０％程度の炭素繊維を含有し、繊維整列方向において、アルミニウム単体（熱伝導率約２００Ｗ／ｍＫ）の２倍以上である５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を示した。また、この複合材料の熱膨張率は、繊維整列方向において５ｐｐｍ／℃、繊維に直交する方向において１０ｐｐｍ／℃であり、それぞれ、アルミニウム単体の２３ｐｐｍ／℃の１／４（繊維整列方向）および１／２（繊維直交方向）程度まで抑制することができた。さらに、得られた金属基炭素繊維複合材料６に対して曲率半径５ｍｍ、曲げ角度６０゜の曲げ変形を加えたが、炭素繊維および金属ともに破断などの微細組織的破壊は認められず、熱伝導率あるいは熱膨張率の変化はほとんど生じていないものと考えられる。
（実施例２）
本実施例は、短繊維として取り扱うことができる炭素繊維を用い、該炭素繊維が一方向に整列されている金属基炭素繊維複合材料を提供する。直径２００ｎｍ、長さ５〜２０μｍ、熱伝導率２０００Ｗ／ｍＫの気相成長炭素繊維を、粒子サイズ１００ｎｍ程度の銅粉末３０％とともにボールミルで混合した。得られた混合物に対して、アセトンおよびプルロニック（登録商標）Ｆ６８分散粘結剤を添加して混合し、インク状の塗布混合物を得た。得られた塗布混合物を、厚さ６μｍの銅フォイルの全面にわたって、図３に示すようなノズルプリント法により膜厚６μｍになるように印刷してプリフォームを形成し、プルロニック（登録商標）Ｆ６８分散粘結剤の固化後に、ロールに巻き取った。このプリフォームをロールから巻き解いて、２００×３００ｍｍの寸法に切り出し、切り出したプリフォームを５００枚積層し、最上面にはプリントされていない銅フォイルを積層して、プリフォーム積層体を得た。このプリフォーム積層体を、大気中３５０℃に加熱して、プルロニック（登録商標）Ｆ６８を揮発ないし焼尽させ、次いで、不活性雰囲気中、７００℃において、それぞれの加圧ロールにおいて２０ＭＰａの圧力を印加して、圧下率１０％〜３０％の５段熱間ロールによって、プリフォーム積層体を加熱圧接して金属基炭素繊維複合材料を得た。
得られた金属基炭素繊維複合材料は、積層方向において１ｍｍの厚さを有し、総重量を基準として３０質量％程度の炭素繊維を含有した。また、本実施例の金属基炭素繊維複合材料は、炭素繊維の整列した方向に関して、銅単体（熱伝導率約４００Ｗ／ｍＫ）の１．５倍である、６００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有した。また、この複合材料の熱膨張率は、繊維整列方向において７ｐｐｍ／℃、繊維直交方向で８ｐｐｍ／℃であり、銅単体の１７ｐｐｍ／℃の半分以下まで抑えられる。さらに、得られた金属基炭素繊維複合材料６に対して曲率半径５ｍｍ、曲げ角度６０゜の曲げ変形を加えたが、炭素繊維および金属ともに破断などの微細組織的破壊は認められず、熱伝導率あるいは熱膨張率の変化はほとんど生じていないものと考えられる。
（実施例３）
本実施例は、連続繊維として取り扱うことができる炭素繊維を用い、該炭素繊維が一方向に整列され、小規模向けの方法であるパルス通電焼結法により形成される金属基炭素繊維複合材料を提供する。炭素繊維として直径１０μｍ、長さ方向に連続している熱伝導率１０００Ｗ／ｍＫのピッチ系炭素繊維を用い、接合補助材として平均粒子サイズ３０μｍのアルミニウム粉末を用い、および金属支持体として厚さ１００μｍのアルミニウムシートを用いた。最初に、アルミニウム粉末をエタノール溶媒中に懸濁させた。６０００本程度の炭素繊維を束状にして保持し、該懸濁液中に浸漬させ、次いでエタノールのみを揮発除去して、溶媒乾燥後も静電力によりアルミニウム粉末が炭素繊維表面に付着している状態の炭素繊維を得た。図８Ｂに示すようなパルス通電焼結炉として、２０ｍｍ角穴の矩形貫通穴のあるダイスを有する炉を用いた。４０ｍｍ程度までの長さにおいては、ピッチ系炭素繊維は、張力を印加せずとも自己の弾性によって方向性を保つことができる。アルミニウム粉末を付着させた炭素繊維を２０ｍｍ長さに裁断し、裁断後に下部ポンチをセットしたダイス中に一方向に整列させて配置し、その上にアルミニウムシートを配置した。そして、炭素繊維とアルミニウムシートとをそれぞれ３０層、ダイス中に交互に積層した。積層終了後に、ダイス中の積層体をポンチにて上下から挟み込んだ。パルス通電焼結炉全体を圧力１０Ｐａの真空に減圧し、上下のポンチに２５ＭＰａの押圧力を印加し、同時に６００℃に加熱して、積層方向において５ｍｍの厚さを有する金属基炭素繊維複合材料を得た。
得られた金属基炭素繊維複合材料の断面の光学顕微鏡写真を図１０に示し、および走査型電子顕微鏡写真を図１１に示した。図１０および図１１から分かるように、本発明の金属基炭素繊維複合材料は、金属層（主としてアルミニウムシートに由来する）および炭素繊維含有金属層（主として、ピッチ系炭素繊維およびアルミニウム粉末に由来する）が交互に積層した構造を有することが分かる。また、アルミニウムシートと炭素繊維との間、およびアルミニウムシートとアルミニウム粉末との間の接合状態は良好であった。
（実施例４）
本実施例は、短繊維として取り扱うことができる炭素繊維を用い、該炭素繊維がランダムに配列され、小規模向けの方法であるパルス通電焼結法により形成される金属基炭素繊維複合材料を提供する。炭素繊維として、直径２００ｎｍ、長さ５〜２０μｍ、熱伝導率２０００Ｗ／ｍＫの気相成長炭素繊維を用い、接合補助材として平均粒子サイズ３０μｍのアルミニウム粉末を用い、および金属支持体として厚さ１００μｍのアルミニウムシートを用いた。気相成長炭素繊維２０部とアルミニウム粉末８０部とをエタノール溶媒中、ボールミルにて混合して、常温乾燥して炭素繊維／アルミニウム混合物を得た。
２０ｍｍ角穴の矩形貫通穴のあるダイスを有するパルス通電焼結炉を用い、下部ポンチをセットしたダイス中に、アルミニウムシートおよび前述の炭素繊維／アルミニウム混合物をそれぞれ３０層、交互に積層し、最後にアルミニウムシートを積層した。次いで、ダイスに上部ポンチをセットした。パルス通電焼結炉全体を圧力１０Ｐａの真空に減圧し、上下のポンチに２５ＭＰａの押圧力を印加し、同時に６００℃に加熱して、積層方向において５ｍｍの厚さを有する金属基炭素繊維複合材料を得た。
得られた金属基炭素繊維複合材料の断面の走査型電子顕微鏡写真を図１２に示した。図１２から分かるように、本発明の金属基炭素繊維複合材料は、金属層（主としてアルミニウムシートに由来する）および炭素繊維含有金属層（主として、気相成長炭素繊維およびアルミニウム粉末に由来する）が交互に積層した構造を有することが分かる。また、アルミニウムシートと炭素繊維との間、およびアルミニウムシートとアルミニウム粉末との間の接合状態は良好であった。
上記の実施例において用いた金属支持体の材料はアルミニウムおよび銅のみであるが、本発明による金属基炭素繊維複合材料に求められる特性と、工業的な生産性から、これらの金属以外にマグネシウムまたはそれらを基とする合金を用いることも可能である。

Claims (15)

  1. 金属と炭素繊維とを加熱圧接させて得られる金属基炭素繊維複合材料であって、前記金属層と炭素繊維含有金属層が交互に積み重なった構造を有する金属基炭素繊維複合材料。
  2. 前記炭素繊維が整列されていることを特徴とする請求項１に記載の金属基炭素繊維複合材料。
  3. 前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、カーボンナノファイバー、気相成長炭素繊維、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブ、およびこれらの集合体もしくは撚合ワイヤーからなる群から選択される単体もしくは複合体からなることを特徴とする請求項１に記載の金属基炭素繊維複合材料。
  4. 前記炭素繊維は、再加熱処理がなされたものであることを特徴とする請求項１に記載の金属基炭素繊維複合材料。
  5. 前記金属は、銅、アルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の金属基炭素繊維複合材料。
  6. 積層方向に０．１〜１０ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の金属基炭素繊維複合材料。
  7. 曲率半径１〜３０ｍｍの曲げ変形を加えても、微細組織的破壊を生じないことを特徴とする請求項６に記載の金属基炭素繊維複合材料。
  8. シート状もしくはフォイル状の金属支持体上に炭素繊維を付着させて、プリフォームを形成する工程と、
    前記プリフォームを積み重ねて、プリフォーム積層体を形成する工程と、
    前記プリフォーム積層体を真空中または非酸化雰囲気中で加熱圧接して、前記プリフォーム同士を一体化させる工程と
    を備えたことを特徴とする金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
  9. 前記プリフォームを形成する工程は、炭素繊維と金属粉とを混合した混合物を前記金属支持体上に塗布することによって実施されることを特徴とする請求項８に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
  10. 炭素繊維を有機バインダーおよび溶剤と混合して塗布混合物を準備する工程と。
    シート状もしくはフォイル状の金属支持体上に前記塗布混合物を付着させて、金属支持体上に炭素繊維含有被膜が形成されたプリフォームを形成する工程と、
    前記プリフォームを積み重ねて、プリフォーム積層体を形成する工程と、
    前記プリフォーム積層体を真空中または非酸化雰囲気中で加熱圧接して、前記プリフォーム同士を一体化させる工程と
    を備えたことを特徴とする金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
  11. 前記金属支持体上に塗布された炭素繊維含有被膜が、前記金属支持体全体を覆うことを特徴とする請求項１０に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
  12. 前記金属支持体上に塗布された炭素繊維含有被膜が、１方向には連続し、それと直交する方向には不連続であることを特徴とする請求項１０に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
  13. 前記塗布混合物の付着が、前記塗布混合物中の炭素繊維を整列させながら実施され、製造される金属基炭素繊維複合材料中で炭素繊維が整列された構造を維持されることを特徴とする請求項１０に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
  14. 前記塗布混合物の付着が、ノズルプリント法で実施されることを特徴とする請求項１３に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
  15. 前記塗布混合物の付着が、スプレードライ法により実施されることを特徴とする請求項１０に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
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