WO2005059194A1 - 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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WO2005059194A1
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carbon fiber
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fiber composite
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Kiminori Sato
Nobuaki Ozoe
Jinichi Ogawa
Toshiyuki Ueno
Satoshi Komatsubara
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Definitions

  • the present invention relates to a metal-based carbon fiber composite material. More specifically, from room temperature to hundreds.
  • the present invention relates to a metal-based carbon fiber composite material having a high thermal conductivity suitable for heat radiation of a device operated in C, and a method for producing a metal-based carbon fiber composite material by a pulse current sintering method.
  • Such a metal-based carbon fiber composite material is generally formed by a molten metal impregnation method in which a preform formed from carbon fibers is impregnated with a molten metal such as aluminum with or without pressure. (See Patent Document 1).
  • a problem in forming the metal-based carbon fiber composite material by the molten metal impregnation method is the formation of metal carbide by a chemical reaction between the carbon fiber and the metal in the molten metal. For example, there is the production of Al C due to the reaction between aluminum and carbon fiber in the molten metal. Charcoal such as generated Al C
  • the oxides are converted into hydrocarbon gas such as methane and metal hydroxide by contact with water or steam at room temperature, and voids are generated between carbon fiber and metal of matrix (matrix). It is known that the strength and thermal conductivity of composite materials are greatly reduced.
  • Patent Document 2 As a method for suppressing the formation of carbides in the molten metal impregnation method, a method of applying a coating such as a ceramic coating (see Patent Document 2) or a fluorine coating (see Patent Document 3) to carbon fibers has been studied. Is coming. Alternatively, a method of forming a carbon fiber preform using a carbon-based binder (such as a pitch resin) (Patent It has been studied to lower the temperature of the molten metal by alloying a metal used as the molten metal to lower the reactivity during impregnation of the molten metal (see Patent Document 5).
  • a coating such as a ceramic coating
  • Patent Document 3 a fluorine coating
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-194515
  • Patent Document 2 JP 2001-300717 A
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 05-125562
  • Patent Document 4 JP-A-2000-303155
  • Patent Document 5 JP-A-11-256254
  • the method of coating carbon fibers and the method of forming a preform with a binder containing carbon as a main component require additional steps and materials. May increase the cost.
  • the method of using an alloy as a molten metal requires a step of preparing the alloy. Further, in any of the methods, a high temperature is required to make the metal or alloy used as the matrix a molten metal, and a large amount of energy is required.
  • An object of the present invention is to provide a method for producing a composite material and a metal-based carbon fiber composite material produced by the method.
  • a metal-based carbon fiber composite material is a metal-based carbon fiber composite material obtained by sintering a metal and a carbon fiber, wherein the carbon fiber is the composite material , And the composite material is sintered to 70% or more of the ideal density.
  • the carbon fiber may be selected from the group consisting of a pitch-based carbon fiber, a PAN-based carbon fiber, a vapor-grown carbon fiber, a carbon nanotube, and a nanotube-nanofiber twisted wire.
  • the metal can be selected from the group consisting of copper, anodized aluminum, magnesium and alloys based on these.
  • the metal-based carbon fiber composite material includes aluminum or Preferably in a case where an alloy is used to group 2.
  • the carbon fibers may be arranged. In that case, it is desirable to have a thermal conductivity of 300 WZmK or more in the carbon fiber arrangement direction.
  • the above-mentioned metal-based carbon fiber composite material may be used as a heat dissipating member (substrate, heat sink, heat spreader, etc.) of an electronic device or power module using a semiconductor.
  • a step 1 of physically mixing a carbon fiber and a metal powder to obtain a metal fiber mixture Step 2 of filling the jig while arranging the fiber mixture, and placing the jig in the air, vacuum, or inert atmosphere, applying a pulse current directly while applying pressure, and generating heat.
  • a sintering step 3 The carbon fiber may be selected from the group consisting of a pitch-based carbon fiber, a PAN-based carbon fiber, a vapor-grown carbon fiber, a carbon nanotube, and a nanotube-nanofiber stranded wire.
  • the metal can be selected from the group consisting of copper, aluminum, magnesium and alloys based on these.
  • step 1 can be performed by using a physical mixing method such as ball milling.
  • step 1 can be performed by a physical mixing method using a rod mill or the like having a rod having an appropriate diameter while maintaining the fiber direction.
  • the carbon fiber may be a mixture of a pitch-based carbon fiber, a PAN-based carbon fiber, or a nanotube-nano fiber twisted wire, and a vapor-grown carbon fiber or a carbon nanotube.
  • the direction of the carbon fiber can be controlled two-dimensionally.
  • a lightweight metal-based carbon fiber composite having high thermal conductivity useful as a heat-dissipating member (substrate, heat sink, heat spreader, etc.) of an electronic device or power module using a semiconductor. Material can be obtained.
  • the present invention According to the method, it is possible to suppress the formation of metal carbide due to the reaction between the metal and the carbon fiber without requiring an additional step or material, and have excellent characteristics by a cheaper and simpler method. It is possible to form a metal-based carbon fiber composite material.
  • the carbon fibers are arranged in the metal-based carbon fiber composite material of the present invention, the moving direction of the heat flow can be controlled by the arrangement direction of the carbon fibers. This feature is particularly useful when it is desired to suppress heat transfer to adjacent devices, such as electronic devices using highly integrated semiconductors.
  • FIG. 1 is a view showing an example of an apparatus used for producing a metal-based carbon fiber composite material of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an optical microscope photograph of a cross section of the metal-based carbon fiber composite material obtained in Example 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an apparatus used for attaching metal powder to carbon fibers that can be handled as continuous fibers.
  • a first embodiment of the present invention is a metal-based carbon fiber composite material obtained by sintering a metal and a carbon fiber.
  • This metal-based carbon fiber composite material is obtained by sintering a composite of metal and carbon fiber mixed in advance in a solid phase, which will be described in detail later, by a pulse current sintering method. is there.
  • the carbon fibers used in the present invention are pitch-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, carbon nanotubes, or nanotubes obtained by twisting vapor-grown carbon fibers or carbon nanotubes. It may be a stranded wire. Pitch-based carbon fibers and PAN-based carbon fibers having a length of several hundred meters are commercially available, and can be cut into desired lengths and used in the present invention. Nanotubes and nanofiber stranded wires may be used. When pitch-based carbon fiber or PAN-based carbon fiber is used, a fiber having a diameter of 5 / m-20 / m is suitable.
  • the carbon fibers can be used with a force of 5 mm or more, preferably 10 mm to 1 lm, depending on the size of the desired composite material.
  • a carbon fiber having a length from one end to the other end of the desired composite material is used, the carbon fibers are arranged in one direction, and the carbon fiber continuously extends from one end to the other end of the composite material.
  • Use fibers. Such a configuration is effective in realizing high thermal conductivity.
  • vapor-grown carbon fibers and carbon nanotubes having a fiber length of 100 nm of 100 nm are known.
  • the pitch-based carbon fiber, the PAN-based carbon fiber, and the nanotube-nanofiber stranded wire may be cut into a fiber length of 5 mm or less (for example, 100 ⁇ m 5 mm) and used in the present invention.
  • a metal-based carbon fiber composite material in which discontinuous short fibers having a length of 100 nm to 5 mm are dispersed in a metal matrix is obtained. In certain applications, even when such discontinuous short fibers are used, sufficient thermal conductivity can be obtained by arranging the fibers two-dimensionally.
  • a state in which fibers are two-dimensionally arranged is a force in which the direction of each fiber is disordered on two of the three axes (for example, the X axis and the y axis) of the Cartesian coordinate system. (E.g. the z axis) Means not suitable. If the fiber is not oriented along the z-axis, the xy plane becomes the heat-conducting plane.
  • the above-mentioned long fiber having a length of 5 mm or more and the above-mentioned discontinuous short fiber having a length of 100 nm to 5 mm may be mixed and used.
  • a composite material having a structure in which short fibers are interposed in gaps formed by long fibers that can be easily arranged in one direction is obtained, and it is easy to arrange short fibers in one direction. It is possible to realize high thermal conductivity in the arrangement direction.
  • the metal used in the present invention is a metal having high thermal conductivity, and includes aluminum, an aluminum alloy, copper, an alloy of copper, magnesium, and an alloy of magnesium. If the primary purpose is to increase the thermal conductivity, copper or its alloys can be used. Alternatively, where lightweight is the primary purpose, aluminum, an aluminum alloy, magnesium or an alloy of magnesium with a lower density can be used. In particular, when producing a metal-based carbon fiber composite material having a density of 2.6 g / cm 3 or less, it is advantageous to use aluminum, an aluminum alloy, magnesium, or a magnesium alloy. As described below, when forming the metal-based carbon fiber composite material of the present invention, a metal is attached to the surface of the carbon fiber. To do this, the metal is used as a powder with an average particle size of lOnm-100 / im, preferably lOnm-50 ⁇ m.
  • the metal-based carbon fiber composite material of the present invention contains 10-80% by mass, preferably 30-80% by mass, more preferably 50-80% by mass, based on the total mass of the composite material. . Further, the metal-based carbon fiber composite material of the present invention has a relative density of 70% or more of the ideal density, preferably 90% to 100%.
  • the ideal density in the present invention is calculated from the density of the carbon fiber and the metal used and the composition ratio of the carbon fiber and the metal, assuming that the carbon fiber is filled in the metal matrix without voids. Means density.
  • the composite material has a composition of 300 WZmK (watts per watt) in the carbon fiber arrangement direction despite the presence of voids in the material. (Kelvin per meter).
  • the term "fiber arrangement direction" refers to one fiber having a fiber length of 5 mm or more. When the fibers are arranged in the same direction, it means the axial direction of the fiber, and when the short fibers with a length of 5 mm-5 mm are two-dimensionally arranged, it means the direction of the plane where heat is easily conducted. .
  • the metal-based carbon fiber composite material of the present invention can be obtained by using 2.6 g / cm 3 when aluminum or an alloy thereof is used as the metal.
  • the composite material having such a low density is useful for forming a lightweight heat radiation member (a substrate, a heat sink, a heat spreader, or the like).
  • a lightweight heat radiation member a substrate, a heat sink, a heat spreader, or the like.
  • the metal-based carbon fiber composite material of the present invention is 6.8 g / cm 3 or less, preferably 2.5-6.8 g or more. Should preferably have a density of 2.5-4.6 g / cm 3 .
  • the metal-based carbon fiber composite material of the present invention is useful as a heat-dissipating member (substrate, heat sink, heat spreader, etc.) of an electronic device or a power module using a semiconductor.
  • Electronic devices using semiconductors include, for example, central processing units (CPU), storage elements (memory), controller ICs for various devices, flat panel display devices, image processing devices, communication devices (wireless and wired), photoelectric hybrid circuits, etc. It may be any known in the art.
  • Power modules include thyristors, converters and inverters that use elements such as GT ⁇ , IGBT, and IEGT.
  • the moving direction of the heat flow can be controlled by the arrangement direction of the carbon fibers. This feature is particularly useful when it is desired to suppress the transfer of heat to adjacent devices, such as electronic devices using highly integrated semiconductors. To allow the transfer of heat flow exclusively above the device.
  • the metal-based carbon fiber composite material of the present invention is used as a heat radiating member such as a heat sink or a heat spreader, the material is processed into an appropriate shape, and the heat generated in these devices is converted into an intermediate or final heat. Mounted to transport to refrigerant. At this time, at the joint of the composite material of the present invention and those devices, the unevenness of each surface is filled.
  • a flexible heat transfer medium for example, silicon grease, heat conductive sheet, etc. in which high heat conductive particles such as silver are dispersed. Is also good.
  • the first step of the production method of the present invention is a step of mixing a metal powder and carbon fibers in a solid state to form a metal fiber mixture having a metal adhered to the carbon fiber surface.
  • this step can be performed using a rod mill that may use a rod-shaped grinding medium having an appropriate diameter.
  • the rod mill used in this step preferably has a sufficiently small inside diameter, preferably 10 mm to 20 mm, so that the carbon fibers are not twisted or entangled with each other.
  • this step is performed using a physical mixing method such as a ball mill, roll mill, or high-speed rotation mill. can do.
  • the metal powder having the above-mentioned particle size may be separately ground in advance, or the metal powder having a larger particle size may be used to pulverize the metal powder and reduce the carbon powder.
  • the attachment to the fibers may be performed simultaneously.
  • Solvents that can be used for the metal powder suspension 31 include, when the metal powder to be dispersed is aluminum, magnesium or an alloy based on these, methanol, ethanol, propanol, acetone, hexane, benzene, Organic solvent powers such as xylene, toluene, dimethinoleatenole, getinoleatenole, etinolemethinoleatenole, and chlorophonolem can be selected.
  • the metal powder suspension 31 further includes a phenololonic dispersant (such as Punole nick (registered trademark) F-68) or polyethylene glycol as a dispersing adhesive to uniformly adhere the metal powder to the fiber bundle.
  • a phenololonic dispersant such as Punole nick (registered trademark) F-68
  • polyethylene glycol as a dispersing adhesive to uniformly adhere the metal powder to the fiber bundle.
  • the control of the carbon fiber content in the composite material obtained by this method is controlled by the amount of metal powder adhering to the fiber bundle.
  • the control of the amount of the metal powder attached is controlled by the amount of the powder mixed in the suspension, the length of the fiber bundle immersed in the metal powder suspension, the speed of the fiber bundle passing through the metal powder suspension and / or This can be achieved by controlling the concentration of the dispersed adhesive.
  • the second step of the production method of the present invention is a step of filling the metal fiber mixture (or the metal powder-attached fiber bundle) while arranging it in a jig of a sintering apparatus.
  • FIG. 1 shows a sintering apparatus that can be used in the present invention.
  • the sintering apparatus shown in FIG. 1 includes a jig composed of a container 1, a die 2 having a through hole, a lower punch 3 and an upper punch 4 fitted into the through hole, a lower punch 3 and an upper punch 4.
  • a platen 5 and a plunger 6 for applying pressure thereto, and a power supply 7 connected to the lower punch 3 and the upper punch 4 for supplying a current to the metal fiber mixture 8 are provided.
  • a metal fiber mixture 8 is filled in a concave portion formed by fitting the lower punch 3 to the die 2 while arranging fibers.
  • long fibers having a fiber length of 5 mm or more it is desirable to arrange the fibers at the time of filling.
  • short fibers having a fiber length of 100 nm-5 mm are used, the fibers may be arranged at the time of filling, or the fibers may be arranged simultaneously with sintering in a sintering step described later.
  • the metal powder-adhered fiber bundle obtained by the above-described suspension immersion method was used, the metal powder-adhered fiber bundle unwound from the winding bobbin was cut into an appropriate length and cut. Align the metal powder attached fiber bundle in the recess formed by the die 2 and the lower punch 3. Power S can be filled.
  • the dispersion adhesive when used in the metal powder suspension, before placing the upper punch or after placing the upper punch, under a low calorie pressure of 11 lOMPa, in vacuum or in an inert atmosphere Under nitrogen (argon, argon, helium, etc.), the filled metal powder attached fiber bundle is heated to a temperature of 200-400 ° C to remove the dispersed adhesive, and a metal fiber mixture 8 consisting of metal powder and carbon fiber is obtained. Desirable to form.
  • the step of removing the dispersed adhesive by heating may be performed in a pulse current sintering apparatus further provided with a heating means, or may be performed in a separate heating apparatus.
  • the step of heating and removing the dispersion adhesive may be performed in an oxidizing atmosphere (air, oxygen-enriched air, pure oxygen, or the like).
  • the sintering step is preferably performed in the air, in a vacuum, or in an inert atmosphere.
  • the container 1 may have an exhaust port (not shown) connected to an appropriate evacuation system.
  • the pressure in the container is desirably 0-20 Pa, preferably 0-5 Pa.
  • the container 1 has an inert gas inlet and a gas outlet (both not shown), and the container 1 is purged with an inert gas (nitrogen, argon, helium, etc.) to realize an inert atmosphere. Is also good.
  • an inert gas nitrogen, argon, helium, etc.
  • the applied pressure should be in the range of 10-100 MPa, preferably 20-50 MPa.
  • a pulse-like current is applied to the metal fiber mixture 8 to perform sintering.
  • the panel width of the current used in this case is up to 0.005-0.02, preferably up to 0.005 0.01, and the current density (based on the cross-sectional area of the through-hole in die 2). to) of 5 X 10 5 - 2 X 10 7 a / m 2, it is desirable that preferably 5 X 10 6 1 X 10 7 a / m 2.
  • the voltage to achieve such a current density depends on the resistance of the conductive path including the metal fiber mixture 8, but is usually in the range of 2-8V.
  • the application of the pulsed current is continued until the desired sintering is completed, and the duration varies depending on the dimensions of the composite material, the current density, the mixing ratio of the carbon fibers, and the like.
  • the temperature of the entire metal fiber mixture does not rise so much, and there is no generation of carbides due to the reaction between metal-carbon fibers, which is advantageous over the conventional molten metal impregnation method. Therefore, it is possible to obtain a metal-based carbon fiber composite material having excellent properties by using inexpensive carbon fibers that are not coated.
  • the plasma generated at the beginning of energization is more advantageous than the ordinary resistance heating method in that the plasma has an effect of removing the adsorbed gas and oxide film of the powder.
  • aluminum powder manufactured by Kishida Chemical
  • pitch-based carbon fiber manufactured by Nippon Graphite Fiber, YS-95A
  • the apparatus shown in FIG. 1 was filled with the metal fiber mixture, and the internal pressure of the apparatus was set to 8 Pa.
  • a die having a through hole of 20 ⁇ 20 cm was used.
  • the die and the lower punch were fitted together, and the recess formed thereby was filled with the metal fiber mixture so that the carbon fibers were arranged in one direction.
  • an upper punch was placed on the filled metal fiber mixture, and a pressure of 25 MPa was applied by a plunger.
  • the obtained metal-based carbon fiber composite material contained 45% charcoal-containing fibers on the total weight of the composite as a criterion, had a density of 1. 91g / cm 3. The ideal density of this material was 2.40 g / cm 3 and the relative density was 78%.
  • FIG. 2 shows an optical microscope photograph of a cross section of the obtained composite material. When the thermal conductivity of the obtained composite material was measured, a value of 350 W / mK was obtained in the carbon fiber arrangement direction.
  • Example 1 The procedure of Example 1 was repeated, except that the amount of carbon fiber was changed to 4 g and the amount of aluminum powder was changed to 4 g.
  • the obtained metal-based carbon fiber composite material contained 60% of carbon fibers based on the total weight of the composite material, and had a density of 1.75 g / cm 3 .
  • the ideal density of this material was 2.38 g / cm 3 and the relative density was 73%.
  • a value of 300 W / mK was obtained in the carbon fiber arrangement direction.
  • a metal fiber mixture prepared by a suspension immersion method using an aluminum powder suspension on carbon fibers that can be handled as continuous fibers was fired by a pulse current sintering method.
  • a bonded metal-based carbon fiber composite material is provided.
  • Pitch-based carbon fibers having a thermal conductivity of 1000 W / mK and a diameter of 10 / im were used as the carbon fibers, and 6000 bundles of the fibers were wound around the unwinding bobbin 2.
  • As the aluminum powder a flaky powder having a thickness of 1 / m or less and an average representative length in the plane direction of 30 ⁇ was used.
  • Aluminum powder was mixed with ethanol containing 2% by weight (based on the weight of ethanol) of a dispersed adhesive (Pull Knick (registered trademark) F68) to form a metal powder suspension. The content of aluminum powder was 30% by weight, based on the weight of the suspension.
  • the carbon fiber bundle to which the aluminum powder obtained as described above is attached is unwound, cut into a length of 2 Omm, and the fiber bundle is aligned in one direction. 8g was laid in a rectangular recess of 20mm square formed by the die. Next, the pressure in the apparatus was set to 8 Pa, an upper punch was placed on the laid fiber bundle, and a pressure of 25 MPa was applied by a plunger. Then, using a power supply connected to the upper and lower punches, a pulse width of 0.01 seconds, a current density of 5 ⁇ 10 6 AZm 2 (maximum) and a voltage of 8 V (maximum) were applied for 10 minutes. Then, the fiber bundle to which the aluminum powder was attached was sintered to obtain a metal-based carbon fiber composite material.
  • the obtained metal-based carbon fiber composite material is a carbon fiber content of 50%, it showed a 2. (95% of the ideal density) Density of 3GZcm 3 and the thermal conductivity of 400WZmK.
  • a metal fiber mixture prepared by a suspension immersion method using a copper powder suspension on carbon fibers that can be handled as continuous fibers was fired by a pulse current sintering method.
  • a bonded metal-based carbon fiber composite material is provided.
  • the carbon fibers pitch-based carbon fibers having a thermal conductivity of lOOOWZmK and a diameter of 10 zm were used, and 6000 bundles of the fibers were wound around an unwinding bobbin.
  • the copper powder a flaky powder having a thickness of 1 ⁇ m or less and an average representative length in the plane direction of 30 ⁇ m was used. Copper powder was mixed in ethanol containing 2% by weight (based on the weight of ethanol) of a dispersed adhesive (Punore Knick (registered trademark) F68) to form a metal powder suspension. The content of copper powder was 60% by weight based on the weight of the suspension.
  • the carbon fiber bundle to which the aluminum powder thus obtained is attached is unwound, cut into a length of 2 Omm, and the fiber bundle is aligned in one direction. 12g was spread in a rectangular recess of 20mm square formed by the die.
  • the internal pressure of the device was set to lOPa, the upper punch was placed on the laid fiber bundle, and the A pressure of 5 MPa was applied.
  • the path Noresu shaped current voltage 8V (maximum) 10 minutes The fiber bundle to which the aluminum powder was adhered was sintered to obtain a metal-based carbon fiber composite material.
  • the obtained metal-based carbon fiber composite material showed a density of 4.5 gZcm 3 (97% of the ideal density) and a thermal conductivity of 550 WZmK at a carbon fiber content of 30%.

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Abstract

　金属炭化物の生成を抑制しつつ、軽量で高熱伝導率を有し、かつ熱流の方向制御を可能とする金属基炭素繊維複合材料の製造方法を提供する。炭素繊維と金属の粉末とを物理的に混合して金属繊維混合物を得る工程と、金属繊維混合物を配列させながら治具中に充填する工程と、治具を大気中、真空中または不活性雰囲気中に設置し、加圧しながら直接パルス電流を通電させ、それによる発熱で焼結をする工程とを含む金属基炭素繊維複合材料の製造方法。ここで、該複合材料は、複合材料の総質量を規準として１０～８０質量％の炭素繊維を含み、理想密度の７０％以上まで焼結されている。

Description

明 細 書
金属基炭素繊維複合材料およびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は金属基炭素繊維複合材料に関する。より詳細には、常温から数百。 C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 パルス通電焼結法による金属基炭素繊維複合材料の製造方法に関する。 背景技術
[0002] 従来、半導体を用いた電子装置また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）として、アルミニウムまたは銅のような熱伝導率が高い金 属またはそれらの合金が用いられてきている。し力しながら、それら装置の高性能化 に伴い、それら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ィヒが求められてきている。
[0003] この問題に関して、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、炭素繊維から形成されるプレフオームに対して、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)。
[0004] 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、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、溶湯中の アルミニウムと炭素繊維との反応による Al Cの生成がある。生成した Al Cなどの炭
4 3 4 3 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と 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。
[0005] 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、セラミックコーティ ング (特許文献 2参照）またはフッ素コーティング (特許文献 3参照）のようなコーティン グを炭素繊維に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（ピッチ樹脂など）を用いて炭素繊維のプレ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 湯含浸時の反応性を低下させること（特許文献 5参照）が検討されてきている。
[0006] 特許文献 1 :特開 2002 - 194515号公報
特許文献 2：特開 2001 - 300717号公報
特許文献 3：特開平 05 - 125562号公報
特許文献 4 :特開 2000— 303155号公報
特許文献 5：特開平 11 - 256254号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] し力、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レ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。
[0008] これに対して、本発明は、一般的に用いられている安価な原材料を用レ、、より小さ なエネルギーによって実施可能であると同時に、炭化物の生成を抑制する金属基炭 素繊維複合材料の製造方法、および該方法によって製造される金属基炭素繊維複 合材料を提供しょうとするものである。
課題を解決するための手段
[0009] 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 焼結させて得られる金属基炭素繊維複合材料であって、前記炭素繊維は前記複合 材料の総質量を規準として 10 80質量％含まれ、前記複合材料は理想密度の 70 %以上まで焼結されていることを特徴とする。前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、およびナノチューブ •ナノファイバー撚合ワイヤーからなる群から選択されてもよい。前記金属は、銅、ァ ノレミニゥム、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。また、該金属基炭素繊維複合材料は、金属としてアルミニウムまたはそれを 基とする合金を用いる場合には好ましくは 2. 6g/cm3以下、金属として銅またはそ れを基とする合金を用いる場合には好ましくは 6. 8g/cm3以下、金属としてマグネ シゥムまたはそれを基とする合金を用いる場合には好ましくは 2· lg/cm3以下の密 度を有する。さらに、該金属基炭素繊維複合材料において、前記炭素繊維が配列さ れていてもよレ、。その場合には、炭素繊維配列方向において 300WZmK以上の熱 伝導率を有することが望ましレ、。上記のような金属基炭素繊維複合材料を半導体を 用いた電子装置また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）として用いてもょレ、。
[0010] 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は、炭素繊 維と金属の粉末とを物理的に混合して金属繊維混合物を得る工程 1と、前記金属繊 維混合物を配列させながら、治具中に充填する工程 2と、前記治具を大気中、真空 中または不活性雰囲気中に設置し、加圧しながら直接パルス電流を通電させ、それ による発熱で焼結をする工程 3とを特徴とする。前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維 、 PAN系炭素繊維、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、およびナノチュー ブ ·ナノファイバー撚合ワイヤーからなる群から選択されてもよい。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。前記炭素繊維の繊維長が lOOnm— 5mmである場合、工程 1は、ボールミ ル等の物理的混合法を用いて実施することができる。あるいはまた、前記炭素繊維 の繊維長が 5mm以上である場合、工程 1は適当な径の棒を伴うロッドミル等を用いる 繊維方向を保持した物理的混合法によって実施することができる。好ましくは、前記 炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維あるいはナノチューブ ·ナノフアイ バー撚合ワイヤーと、気相成長炭素繊維またはカーボンナノチューブとの混合物で あってもよレ、。さらに、工程 2において、前記炭素繊維の方向を 2次元的に制御するこ とも可能である。
発明の効果
[0011] 以上のような構成を採ることによって、半導体を用いた電子装置またはパワーモジ ユールの放熱部材 (基板、ヒートシンク、ヒートスプレッダなど）として有用な、軽量で高 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。また、本発明の方 法によれば、特に追加の工程ないし材料を必要とすることなぐ金属と炭素繊維との 間の反応による金属炭化物の生成を抑制することができ、より安価かつ簡便な方法 で優れた特性を有する金属基炭素繊維複合材料を形成することが可能となる。さら に、本発明の金属基炭素繊維複合材料では炭素繊維が配列されているので、熱流 の移動方向を炭素繊維の配列方向によって制御することができる。この特徴は、高 集積化が進んだ半導体を用いた電子装置などのように隣接するデバイスへの熱の移 動を抑制したい場合に特に有用である。
図面の簡単な説明
[図 1]本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造に用いる装置の一例を示す図であ る。
[図 2]実施例 1で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示 す図である。
[図 3]連続繊維として取り扱うことができる炭素繊維に対する金属粉末の付着に用い る装置の一例を示す図である。
符号の説明
1 容器
2 ダイ
3 下部パンチ
4 上部パンチ
5 プラテン
6 プランジャ
7 電源
8 金属繊維混合物
21 卷出ボビン
22 卷取ボビン
23 乾燥手段
24 容器
25 攪拌手段 30 繊維束
31 金属粉末懸濁液
発明を実施するための最良の形態
[0014] 本発明の第 1の実施形態は、金属と炭素繊維とを焼結させて得られる金属基炭素 繊維複合材料である。この金属基炭素繊維複合材料は、詳細を後述する、固相にお レ、て予め混合された金属および炭素繊維の複合体をパルス通電焼結法にて焼結さ せることによって得られるものである。
[0015] 本発明に用いられる炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維、気相成長 炭素繊維、カーボンナノチューブ、あるいは、気相成長炭素繊維またはカーボンナノ チューブを撚り合わせたナノチューブ 'ナノファイバー撚合ワイヤーであってもよい。 ピッチ系炭素繊維および PAN系炭素繊維は、長さ数百 mにわたるものが市販されて おり、それを所望の長さに切断して本発明に用いることができる。ナノチューブ 'ナノ ファイバー撚合ワイヤーを用いてもよい。ピッチ系炭素繊維または PAN系炭素繊維 を用いる場合、 5 / m— 20 / mの直径を有する繊維が適当である。また、それら炭素 繊維は、所望される複合材料の寸法にも依存する力 5mm以上、好ましくは 10mm 一 lmの長さで用いることができる。望ましくは、所望される複合材料の一端から他端 までの長さを有する炭素繊維を用い、該炭素繊維を 1方向に配列させ、該複合材料 の一端から他端まで連続してレ、る炭素繊維を用いる。このように構成することが高レ、 熱伝導性を実現する上で有効である。
[0016] 一方、気相成長炭素繊維およびカーボンナノチューブは、 lOOnm 100 μ mの繊 維長のものが知られている。また、ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維およびナノ チューブ 'ナノファイバー撚合ワイヤーを 5mm以下（たとえば 100 μ m 5mm)の繊 維長に切断して、本発明に用いてもよい。これらの繊維を用いる場合、 lOOnm— 5m mの長さの不連続の短繊維が金属マトリクス中に分散されている金属基炭素繊維複 合材料が得られる。特定の用途においては、このような不連続の短繊維を用いても、 該繊維を 2次元的に配列させることによって充分な熱伝導性が得られる。繊維が 2次 元的に配列された状態とは、個々の繊維の向きが直交座標系の 3軸の内の 2つの軸 (たとえば X軸、 y軸）については無秩序である力 他の 1軸（たとえば z軸）の方向には 向いていないことを意味する。繊維の向きが z軸に向いていない場合、 xy平面が熱の 易伝導平面となる。
[0017] 前述の 5mm以上の長さを有する長繊維と、前述の lOOnm— 5mmの長さの不連 続の短繊維とを混合して用いてもよい。この場合には、容易に 1方向に配列すること が可能な長繊維が形成する間隙に短繊維が介在する構造の複合材料が得られ、短 繊維を 1方向に配列させることが容易となり、該配列方向において高い熱伝導性を実 現することが可能となる。
[0018] 本発明に用いる金属は、高い熱伝導性を有する金属であり、アルミニウム、アルミ二 ゥムの合金、銅、銅の合金、マグネシウムまたはマグネシウムの合金を含む。熱伝導 性を高くすることが第一義的目的である場合、銅またはその合金を用いることができ る。あるいはまた、軽量であることが第一義的目的である場合、より小さい密度を有す るアルミニウム、アルミニウムの合金、マグネシウムまたはマグネシウムの合金を用い ること力 Sできる。特に、 2. 6g/cm3以下の密度を有する金属基炭素繊維複合材料を 作製する場合、アルミニウム、アルミニウムの合金、マグネシウムまたはマグネシウム の合金を用いることが有利である。後述するように、本発明の金属基炭素繊維複合 材料を形成する際に、金属を炭素繊維表面に付着させる。これを実施するために、 該金属は、平均粒径 lOnm— 100 /i m、好ましくは lOnm— 50 μ mの粉末として用 いられる。
[0019] 本発明の金属基炭素繊維複合材料は、該複合材料の総質量を規準として 10— 80 質量％、好ましくは 30— 80質量％、より好ましくは 50— 80質量％の炭素繊維を含む 。そして、本発明の金属基炭素繊維複合材料は、理想密度の 70%以上、好ましくは 90%— 100%の相対密度を有する。本発明における理想密度とは、炭素繊維が金 属のマトリクス中に空隙なしに充填されたと仮定した場合に、用いた炭素繊維および 金属の密度、ならびに炭素繊維と金属との組成比から計算される密度を意味する。 金属基炭素繊維複合材料が前述の範囲内の組成および密度を有することによって、 材料中に空隙が存在してもよいにもかかわらず、該複合材料が炭素繊維配列方向に おいて 300WZmK (ワット毎メートル毎ケルビン）の熱伝導率を有することが可能とな る。なお、本発明における「繊維配列方向」とは、繊維長が 5mm以上の長繊維が 1方 向に配列されている場合にはその繊維の軸方向を意味し、 lOOnm— 5mmの長さの 短繊維が 2次元的に配列されている場合には、熱の易伝導平面の方向を意味する。
[0020] さらに、用いる金属の種類および炭素繊維の組成比を最適化することによって、本 発明の金属基炭素繊維複合材料は、金属としてアルミニウムまたはその合金を用い た場合、 2. 6g/cm3以下、好ましく fま 2. 2—2. 6g/cm3、より好ましく fま 2. 2—2. 5 g/cm3の密度を有することが望ましい。金属としてマグネシウムまたはその合金を用 いた場合、 2. lg/cm3以下、好ましくは 1. 8-2. lg/cm3、より好ましくは 1. 9一 2 . lg/cm3の密度を有することが望ましい。このように低い密度を有する複合材料は 、軽量の放熱部材 (基板、ヒートシンク、ヒートスプレッダなど）を形成する際に有用で ある。また、高い熱伝導性を目的として金属として銅またはその合金を用いた場合、 本発明の金属基炭素繊維複合材料は、 6. 8g/cm3以下、好ましくは 2. 5-6. 8g より好ましくは 2. 5-4. 6g/cm3の密度を有することが望ましい。
[0021] 本発明の金属基炭素繊維複合材料は、半導体を用いた電子装置またはパワーモ 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）として有用である。半 導体を用いた電子装置は、たとえば中央処理装置（CPU)、記憶素子 (メモリ）、各種 装置のコントローラ IC、フラットパネルディスプレイ装置、画像処理装置、通信装置（ 無線および有線）、光電ハイブリッド回路など当該技術において知られている任意の ものであってもよい。パワーモジュールは、サイリスタ、 GT〇、 IGBT、 IEGTなどの素 子を用いたコンバータ、インバータなどを含む。また、本実施形態の金属基炭素繊維 複合材料では炭素繊維が配列されてレ、るので、熱流の移動方向を炭素繊維の配列 方向によって制御することができる。この特徴は、高集積化が進んだ半導体を用いた 電子装置などのように隣接するデバイスへの熱の移動を抑制したい場合に特に有用 であり、たとえば炭素繊維を冷却対象のデバイスから装置の上方へ向けて配列させ て、専ら装置の上方への熱流の移動を可能にすることができる。本発明の金属基炭 素繊維複合材料をヒートシンクまたはヒートスプレッダのような放熱部材として用いる 場合、該材料は適当な形状に加工されて、これらの装置において発生する熱を、中 間的ないし最終的な冷媒へと輸送するように取り付けられる。この際に、本発明の複 合材料およびそれら装置の接合部において、それぞれの表面の凹凸を充填するた めの柔軟な伝熱媒体 (たとえば、銀などの高熱伝導性粒子を分散させてもょレヽシリコ ーングリース、熱伝導シートなど）を用いて、装置から複合材料への均一な熱伝導を 達成してもよい。
[0022] 以下、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法について詳細に説明する。
本発明の製造方法の第 1の工程は、金属粉末と炭素繊維とを固体状態で混合して、 炭素繊維表面に金属が付着した金属繊維混合物を形成する工程である。
[0023] 繊維長が 5mm以上の長繊維（ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維またはナノチ ユーブ'ナノファイバー撚合ワイヤー）を用いる場合、引き続く金属繊維混合物の配列 工程を容易にするために、本工程を、炭素繊維の繊維方向を保持することが可能な 物理的混合法によって実施することが望ましい。この場合には、適当な径の棒状の 粉砕媒体を用いてもよいロッドミルを用いて本工程を実施することができる。本工程に おいて用いるロッドミルは、炭素繊維が捩れたり、互いに絡み合ったりしないように、 充分に小さな内径を有することが望ましぐ好ましくは 10mm— 20mmの内径を有す ることが望ましい。
[0024] 繊維長が lOOnm— 5mmの長さの短繊維（気相成長炭素繊維またはカーボンナノ チューブ）を用いる場合、ボールミル、ロールミル、高速回転ミルなどによる物理的混 合法を用いて本工程を実施することができる。なお、本工程においては、予め別途粉 砕して前述のような粒径を有する金属粉末を用いてもよいし、より大きな粒径を有す る金属粉末を用いて、金属粉末の粉碎と炭素繊維への付着を同時に行ってもよい。
[0025] さらに、連続繊維として取り扱うことができるピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維お よびナノチューブ ·ナノファイバーの撚合ワイヤーの場合、たとえば、図 3に示すような 装置を用いて、溶媒中に金属粉末を分散させた懸濁液にこれらの長繊維を浸漬させ ることで、高効率 *高精度に金属粉末が付着した繊維束を得ることができる。本発明 において、「連続繊維として取り扱うことができる」とは、繊維の長さが 100mm以上で あることを意味する。図 3の装置においては、卷出ボビン 21から繊維束 30が卷き解き 、攪拌装置 25により攪拌される容器 24内の金属粉末懸濁液 31中に浸漬させ、金属 粉末が付着した繊維束 30を卷取ボビン 22に卷き取る。ここで、卷取ボビン 22に卷き 取る前に、温風乾燥機などの乾燥手段 23を用いて繊維束 30上に付着した溶媒を蒸 発除去してもよい。金属粉末懸濁液 31に用いることができる溶媒は、分散される金属 粉末がアルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金の粉末の場合、メタノ ール、エタノール、プロパノール、アセトン、へキサン、ベンゼン、キシレン、トルエン、 ジメチノレエーテノレ、ジェチノレエーテノレ、ェチノレメチノレエーテノレ、クロロホノレムといった 有機溶媒力 選択することができる。また、銅およびこれを基とする合金の粉末を分 散させる場合には、これら有機溶媒にカ卩えて水を選択することもできる。望ましくは、 金属粉末懸濁液 31は、分散粘着剤としてプノレロニック系分散剤 (プノレ口ニック (登録 商標） F— 68など）またはポリエチレングリコールなどをさらに含み、繊維束への金属 粉末の均一な付着を促進させる。この方法によって得られる複合材料中の炭素繊維 の含有量制御は、繊維束に対する金属粉末の付着量によって制御される。そして、 金属粉末の付着量の制御は、懸濁液の粉末混合量、金属粉末懸濁液に浸漬される 繊維束の長さ、金属粉末懸濁液中を通過する繊維束の速度および/または分散粘 着剤濃度などを制御することによって達成することができる。
[0026] 本発明の製造方法の第 2の工程は、焼結装置の治具中に金属繊維混合物（または 金属粉末付着繊維束)を配列させながら充填する工程である。本発明において用い ることができる焼結装置を図 1に示す。図 1の焼結装置は、容器 1と、貫通孔を有する ダイ 2ならびに該貫通孔に嵌合する下部パンチ 3および上部パンチ 4とで構成される 治具と、下部パンチ 3と上部パンチ 4に対して圧力を加えるプラテン 5およびプランジ ャ 6と、下部パンチ 3と上部パンチ 4に接続され、金属繊維混合物 8に対して電流を流 すための電源 7とを備える。
[0027] ダイ 2に下部パンチ 3を嵌合させて形成される凹部に、繊維を配列させながら、金属 繊維混合物 8を充填する。繊維長が 5mm以上の長繊維を用いる場合、充填時に繊 維を配列させることが望ましレ、。繊維長が lOOnm— 5mmの長さの短繊維を用いる場 合、充填時に繊維を配列させてもよいし、後述する焼結工程において焼結と同時に 繊維の配列を行ってもよレ、。
[0028] ここで、前述の懸濁液浸漬法によって得られる金属粉末付着繊維束を用いる場合 、卷取ボビンから巻き解かれた金属粉末付着繊維束を適当な長さに切断し、切断し た金属粉末付着繊維束を、ダイ 2および下部パンチ 3から形成される凹部に配列させ な力 Sら充填すること力 Sできる。さらに、金属粉末懸濁液中に分散粘着剤を用いた場合 には、上部パンチを載置する前、あるいは上部パンチを載置後 1一 lOMPaの低カロ 圧状態において、真空中または不活性雰囲気（窒素、アルゴン、ヘリウムなど）下、充 填した金属粉末付着繊維束を 200— 400°Cの温度に加熱して分散粘着剤を除去し て、金属粉末および炭素繊維からなる金属繊維混合物 8を形成することが望ましレヽ。 分散粘着剤の加熱除去工程は、加熱手段をさらに備えたパルス通電焼結装置中で 行ってもよいし、あるいは別個の加熱装置中で行ってもよい。なお、金属粉末として 銅粉末を用いる場合には、分散粘着剤の加熱除去工程を酸化性雰囲気 (空気、酸 素富化空気または純酸素など）において行ってもよい。
[0029] 次に、充填された金属繊維混合物 8の上に上部パンチ 4を載置し、組み合わせられ た治具を、容器 1内のプレス機のプラテン 5およびプランジャ 6の間に配置し、焼結ェ 程を実施する。焼結工程は、大気中、真空中または不活性雰囲気中で実施すること が好ましい。容器 1内を真空とするために、容器 1は適切な真空排気系と接続される 排気口（不図示）を有していてもよい。真空中で焼結工程を行う場合、容器内圧力を 0— 20Pa、好ましくは 0— 5Paとすることが望ましい。あるいはまた、容器 1が不活性 ガス導入口およびガス排出口（ともに不図示）を有して、容器 1を不活性ガス（窒素、 アルゴン、ヘリウムなど）でパージして不活性雰囲気を実現してもよい。
[0030] 次に、上部パンチ 4をプランジャで押圧して、金属繊維混合物 8に圧力を印加する 。印加される圧力は、 10— lOOMPa、好ましくは 20— 50MPaの範囲内であることが 望ましい。
[0031] そして、下部パンチ 3および上部パンチ 4に接続される電源 7を用いて、パルス状の 電流を金属繊維混合物 8に通電して焼結を実施する。この際に用いられる電流のパ ノレス幅 fま、 0. 005— 0. 02禾少、好ましく fま 0. 005 0. 01禾少であり、電流密度（ダイ 2 の貫通孔の断面積を規準とする）が 5 X 105— 2 X 107A/m2、好ましくは 5 X 106 1 X 107A/m2であることが望ましい。そのような電流密度を達成するための電圧は、 金属繊維混合物 8を含めた導電経路の抵抗値に依存するが、通常 2— 8Vの範囲内 である。パルス状電流の通電は、所望される焼結が完了するまで継続され、その継続 時間は複合材料の寸法、電流密度、炭素繊維の混合比などに依存して変化する。 [0032] 前述のようにパルス状電流を通電することによって、金属粒子の塑性変形および粉 末間の融着が生じて焼結が進行する。本工程のようにパルス状電流を用いた場合、 金属繊維混合物全体を加熱するのとは異なり金属粒子が結合を起こすべき部位に 発熱が集中するので、電流のエネルギーをより効率的に利用し、より速やかに焼結を 行うことが可能となる。そして、金属繊維混合物全体の温度はそれほど上昇すること がなぐ金属一炭素繊維間の反応による炭化物が生成しないという点において、従来 の溶湯含浸法よりも有利である。したがって、コーティングなどを施されていない安価 な炭素繊維を用いて、優れた特性を有する金属基炭素繊維複合材料を得ることが可 能である。また、通電初期に発生するプラズマが、粉末の吸着ガスおよび酸化被膜 の除去などの作用を有する点においても、通常の抵抗加熱法よりも有利である。
[0033] 繊維長が lOOnm— 5mmの長さの短繊維を用いる場合、この焼結段階においても 繊維の配列が進行する。すなわち、パルス状電流の通電による金属粒子の焼結に伴 う変形の際に、棒状粒子 (短繊維）がパンチによる荷重印加方向から倒れて、荷重印 加方向に垂直な面に平行方向に配列する。この際には、荷重印加方向に垂直な面 が熱の易伝導平面となる。
[0034] 5mm以上の長さを有する長繊維と、 lOOnm— 5mmの長さの不連続の短繊維とを 混合して用いる場合、前述と同様の作用により、充填時に長繊維と平行に配歹 1Jしな 力 た短繊維を、焼結工程にぉレ、て長繊維と平行に配列させることができる。
実施例 1
[0035] 平均粒径 30 μ mのアルミニウム粉末（キシダ化学製） 6gと、繊維長 20cm、直径 10 μ mのピッチ系炭素繊維（日本グラフアイトファイバー製、 YS—95A) 3gと、直径 5m m X長さ 20mmのガラス棒とを、内径 13mmのロッドミル中に配置した。ロッドミノレをそ の軸に沿って回転させて混合を実施して、金属繊維混合物を得た。
[0036] 次に、図 1に示す装置に金属繊維混合物を充填し、装置内圧力を 8Paとした。本実 施例においては、 20 X 20cmの貫通孔を有するダイを用いた。ダイと下部パンチを 嵌合させ、それによつて形成された凹部に、炭素繊維を 1方向に配列させるようにし て金属繊維混合物を充填した。次に、充填された金属繊維混合物の上に上部パン チを配置し、プランジャによって 25MPaの圧力を印加した。 [0037] そして、上部パンチおよび下部パンチに接続された電源を用いて、パルス幅 0. 01 秒、電流密度 I X 107A/m2 (最高）、電圧 5V (最高）のパルス状電流を 20分間にわ たって通電して、金属繊維混合物を焼結させ、 20 X 20 X 8cmの寸法を有する金属 基炭素繊維複合材料を作製した。
[0038] 得られた金属基炭素繊維複合材料は、複合材料の総重量を規準として 45%の炭 素繊維を含有し、 1. 91g/cm3の密度を有した。この材料の理想密度は、 2. 40g/ cm3であり、相対密度は 78%であった。得られた複合材料の断面の光学顕微鏡写真 を図 2に示す。さらに得られた複合材料の熱伝導率を測定したところ、炭素繊維配列 方向において 350W/mKの値が得られた。
実施例 2
[0039] 炭素繊維の量を 4gに変更し、アルミニウム粉末の量を 4gに変更したことを除いて実 施例 1の手順を繰り返した。得られた金属基炭素繊維複合材料は、複合材料の総重 量を規準として 60%の炭素繊維を含有し、 1. 75g/cm3の密度を有した。この材料 の理想密度は、 2. 38g/cm3であり、相対密度は 73%であった。得られた複合材料 の熱伝導率を測定したところ、炭素繊維配列方向において 300W/mKの値が得ら れた。
実施例 3
[0040] 本実施例は、連続繊維として取り扱うことのできる炭素繊維に対してアルミニウム粉 末懸濁液を用いる懸濁液浸漬法を用いて調製した金属繊維混合物を、パルス通電 焼結法によって焼結させた金属基炭素繊維複合材料を提供する。
[0041] 炭素繊維として、 1000W/mKの熱伝導率を有する直径 10 /i mのピッチ系炭素 繊維を用い、該繊維の 6000本の束を卷出ボビン 2に卷きつけた。アルミニウム粉末と して、 1 / m以下の厚さ、および 30 μ ΐηの面方向の平均代表長さを有する薄片状粉 末を用いた。 2重量％ (エタノールの重量を基準とする）の分散粘着剤（プル口ニック（ 登録商標） F68)を含むエタノール中に、アルミニウム粉末を混合して金属粉末懸濁 液を形成した。アルミニウム粉末の含有量は、懸濁液の重量を基準として 30重量％ であった。卷出ボビンから炭素繊維束を卷き解き、攪拌されている金属粉末懸濁液 に浸漬し、大気中に引き上げ、温風乾燥（50°C)して、卷取ボビンに卷き取ることによ つて、アルミニウム粉末が付着した炭素繊維束を得た。
[0042] 以上のようにして得られたアルミニウム粉末が付着した炭素繊維束を卷き解いて、 2 Ommの長さに切断し、該繊維束を 1方向に整列させた状態で、下部パンチおよびダ ィにより形成される 20mm角の矩形状の凹部内に 8g敷き詰めた。次に、装置内圧力 を 8Paとし、敷き詰めた繊維束の上に上部パンチを配置し、プランジャによって 25M Paの圧力を印加した。そして、上部パンチおよび下部パンチに接続された電源を用 いて、パルス幅 0. 01秒、電流密度 5 X 106AZm2 (最高）、電圧 8V (最高）のパルス 状電流を 10分間にわたって通電して、アルミニウム粉末が付着した繊維束を焼結さ せ、金属基炭素繊維複合材料を得た。
[0043] 得られた金属基炭素繊維複合材料は、 50%の炭素繊維含有量で、 2. 3gZcm3の 密度（理想密度の 95%)と 400WZmKの熱伝導率を示した。
実施例 4
[0044] 本実施例は、連続繊維として取り扱うことのできる炭素繊維に対して銅粉末懸濁液 を用いる懸濁液浸漬法を用いて調製した金属繊維混合物を、パルス通電焼結法に よって焼結させた金属基炭素繊維複合材料を提供する。
[0045] 炭素繊維として、 lOOOWZmKの熱伝導率を有する直径 10 z mのピッチ系炭素 繊維を用い、該繊維の 6000本の束を卷出ボビンに卷きつけた。銅粉末として、 1 μ m以下の厚さ、および 30 x mの面方向の平均代表長さを有する薄片状粉末を用い た。 2重量％ (エタノールの重量を基準とする）の分散粘着剤（プノレ口ニック（登録商標 ) F68)を含むエタノール中に、銅粉末を混合して金属粉末懸濁液を形成した。銅粉 末の含有量は、懸濁液の重量を基準として 60重量％であった。卷出ボビンから炭素 繊維束を巻き解き、攪拌されている金属粉末懸濁液に浸漬し、大気中に引き上げ、 温風乾燥（50°C)して、卷取ボビンに卷き取ることによって、銅粉末が付着した炭素 繊維束を得た。
[0046] 以上のようにして得られたアルミニウム粉末が付着した炭素繊維束を卷き解いて、 2 Ommの長さに切断し、該繊維束を 1方向に整列させた状態で、下部パンチおよびダ ィにより形成される 20mm角の矩形状の凹部内に 12g敷き詰めた。次に、装置内圧 力を lOPaとし、敷き詰めた繊維束の上に上部パンチを配置し、プランジャによって 2 5MPaの圧力を印加した。そして、上部パンチおよび下部パンチに接続された電源 を用いて、パルス幅 0· 01秒、電流密度 5 X 106A/m2 (最高）、電圧 8V (最高）のパ ノレス状電流を 10分間にわたって通電して、アルミニウム粉末が付着した繊維束を焼 結させ、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、 30%の炭素繊維含有量で、 4. 5gZcm3の 密度（理想密度の 97%)と 550WZmKの熱伝導率を示した。

Claims

請求の範囲
[I] 金属と炭素繊維とを焼結させて得られる金属基炭素繊維複合材料であって、前記 炭素繊維は前記複合材料の総質量を規準として 10 80質量％含まれ、前記複合 材料は理想密度の 70%以上まで焼結されていることを特徴とする金属基炭素繊維 複合材料。
[2] 前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維、気相成長炭素繊維、力 一ボンナノチューブ、およびナノチューブ 'ナノファイバー撚合ワイヤーからなる群か 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。
[3] 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。
[4] 前記金属はアルミニウムまたはそれを基とする合金であり、 2. 6g/cm3以下の密度 を有することを特徴とする請求項 3に記載の金属基炭素繊維複合材料。
[5] 前記金属は銅またはそれを基とする合金であり、 6. 8g/cm3以下の密度を有する ことを特徴とする請求項 3に記載の金属基炭素繊維複合材料。
[6] 前記金属はマグネシウムまたはそれを基とする合金であり、 2. lg/cm3以下の密 度を有することを特徴とする請求項 3に記載の金属基炭素繊維複合材料。
[7] 前記炭素繊維が配列されてレ、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。
[8] 炭素繊維配列方向において 300W/mK以上の熱伝導率を有することを特徴とす る請求項 7に記載の金属基炭素繊維複合材料。
[9] 請求項 1一 8のいずれかに記載の金属基炭素繊維複合材料を放熱部材として用い ることを特徴とする半導体を用いた電子機器。
[10] 請求項 1一 8のいずれかに記載の金属基炭素繊維複合材料を放熱部材として用い ることを特徴とするパワーモジュール。
[II] 炭素繊維と金属の粉末とを物理的に混合して金属繊維混合物を得る工程 1と、 前記金属繊維混合物を配列させながら、治具中に充填する工程 2と、
前記治具を大気中、真空中または不活性雰囲気中に設置し、加圧しながら直接パ ノレス電流を通電させ、それによる発熱で焼結をする工程 3と を特徴とする金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
[12] 前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維、気相成長炭素繊維、力 一ボンナノチューブ、およびナノチューブ 'ナノファイバー撚合ワイヤーからなる群か ら選択されることを特徴とする請求項 11に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造 方法。
[13] 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 11に記載の金属基炭素繊維複合材料の 製造方法。
[14] 前記炭素繊維の繊維長は lOOnm 5mmであり、前記工程 1は、ボールミル等の 物理的混合法を用いて実施されることを特徴とする請求項 11に記載の金属基炭素 繊維複合材料の製造方法。
[15] 前記炭素繊維の繊維長は 5mm以上であり、前記工程 1は繊維方向を保持した物 理的混合法によって実施されることを特徴とする請求項 11に記載の金属基炭素繊 維複合材料の製造方法。
[16] 前記炭素繊維の繊維長は 100mm以上であり、前記工程 1は繊維束を金属粉末懸 濁液に浸漬させることによって実施されることを特徴とする請求項 11に記載の金属基 炭素繊維複合材料の製造方法。
[17] 前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維またはナノチューブ ·ナノフ アイバー撚合ワイヤーと、気相成長炭素繊維またはカーボンナノチューブとの混合物 であることを特徴とする請求項 11に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
[18] 前記工程 2において、前記炭素繊維の方向を 2次元的に制御したことを特徴とする 請求項 11に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
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