WO2016088845A1 - 高真空用層間熱接合性グラファイトシート - Google Patents

高真空用層間熱接合性グラファイトシート Download PDF

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WO2016088845A1
WO2016088845A1 PCT/JP2015/084041 JP2015084041W WO2016088845A1 WO 2016088845 A1 WO2016088845 A1 WO 2016088845A1 JP 2015084041 W JP2015084041 W JP 2015084041W WO 2016088845 A1 WO2016088845 A1 WO 2016088845A1
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graphite sheet
neutron
graphite
heat
vacuum
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村上　睦明
正満 立花
篤 多々見
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株式会社カネカ
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    • C09K5/14—Solid materials, e.g. powdery or granular
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    • C01B32/20—Graphite
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H3/06—Generating neutron beams
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H6/00—Targets for producing nuclear reactions
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    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
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    • C01P2006/10—Solid density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/32—Thermal properties

Definitions

  • the present invention relates to a high-vacuum interlayer heat-bondable graphite sheet that is free from the risk of outgassing under ultra-high vacuum.
  • Non-patent Document 1 Boron neutron capture therapy (BNCT) using neutrons has attracted attention because it can remove deep tumors that cannot be performed by normal surgery, such as brain tumors, liver, and melanoma.
  • BNCT Boron neutron capture therapy
  • an accelerator is currently attracting attention.
  • protons are accelerated stepwise to form a proton beam, and then neutrons are generated by a method of colliding with a metal or graphite mass called a target (Non-patent Document 2).
  • the accelerator-type neutron generator is also expected to be used as a non-destructive inspection device for the integrity of bridge steel frames, and is also expected to be used in the automotive, aircraft and space industries ( Non-patent document 3).
  • titanium (22 W / mK), vanadium (31 W / mK), palladium (72 W / mK), niobium (54 W / mK), tantalum (58 W / mK), etc. can be used, but these have low thermal conductivity. . For this reason, there is a problem that the heat from the target does not reach the entire heat sink and the cooling efficiency is poor.
  • TIM interlayer thermal bonding material
  • the present invention has been made paying attention to the above-mentioned circumstances, and its purpose is excellent in heat conduction characteristics as an interlayer thermal bonding material, and it contaminates outgas and the inside of the apparatus even under high vacuum and high temperature conditions. It is to provide materials that do not have to worry about.
  • a graphite sheet is promising as an interlayer thermal bonding material (TIM) without worrying about outgas even under an ultrahigh vacuum.
  • the graphite sheet has no risk of activation or beam obstruction, and can withstand the irradiation conditions of high-intensity beams for long periods of time. I found it particularly promising.
  • natural graphite is known as one of the graphite sheets (Patent Document 1), and it is conceivable to use such a graphite sheet as a TIM.
  • the thermal conductivity of the natural graphite sheet in the plane direction is about 200 to 500 W / mK, and although it is light, the sheet strength is weak because it is made from powdered and flake shaped natural graphite. There was a risk that the graphite piece would scatter in the case when it was damaged.
  • a method in which a special polymer film is directly heat-treated and graphitized (hereinafter referred to as a polymer firing method).
  • the method for producing a graphite sheet obtained by this method is simpler than the conventional method for producing a natural graphite sheet, is excellent in mechanical properties, and has a feature that a very excellent thermal conductivity can be obtained ( Patent Document 2).
  • the thermal conductivity in the surface direction of the graphite sheet by the polymer firing method is as high as 600 to 1600 W / mK, and is also resistant to bending and impact, so it is currently used in many portable terminals.
  • This sheet is the highest level of high thermal conductivity material for large area film that can be handled easily and practically, and there is no worry of outgassing under ultra-vacuum and high temperature, and chemical stability and heat resistance are also very high. . Therefore, the range of application is considered to be very wide.
  • the high-vacuum interlayer heat-bondable graphite sheet of the present invention that has achieved the above object has a thickness of 9.6 ⁇ m or less and 50 nm or more, and a thermal conductivity in the ab plane direction at 25 ° C. of 1000 W / The point is that it is mK or more.
  • the density is preferably 1.8 g / cm 3 or more.
  • the graphite sheet of the present invention is preferably obtained by heat-treating a polymer film at a temperature of 2900 ° C. or higher.
  • the polymer film includes polyamide, polyimide, polyquinoxaline, polyoxadiazole, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polyquinazolinedione, polybenzoxazinone, polyquinazolone, benzimidazolobenzophenanthroline ladder polymer, and these polymers It is preferably at least one selected from derivatives.
  • the polymer film is preferably an aromatic polyimide, and the aromatic polyimide contains pyromellitic anhydride, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, or both. It is preferably a polyimide obtained using a raw material, or a polyimide obtained using either 4,4′-diaminodiphenyl ether or p-phenylenediamine or both.
  • the present invention also includes a high-vacuum graphite substrate material produced from any of the above-described high-vacuum interlayer heat-bondable graphite sheets and a high-vacuum target substrate material.
  • a neutron-generating metal member and a proton-absorbing metal substrate are laminated, and any one of the above-described heat-bondable graphite sheets for high vacuum is provided between the neutron-generating metal member and the proton-absorbing metal substrate. It also includes a laminated target material for generating neutrons.
  • the neutron-generating metal member, the proton-absorbing metal substrate, and the heat sink member are laminated in this order, and between the neutron-generating metal member and the proton-absorbing metal substrate, and the proton-absorbing metal substrate. It also includes a neutron generating target module in which any of the above-described high vacuum heat-bondable graphite sheets is inserted between the heat sink member.
  • the neutron-generating metal member is a beryllium target
  • the proton-absorbing metal substrate is formed of at least one material selected from vanadium, niobium, and tantalum
  • the heat sink member is made of aluminum and titanium. It is preferably formed of at least one material selected.
  • the graphite sheet of the present invention there is no risk of outgas even under high vacuum, and the heat conductivity in the ab plane direction at 25 ° C. is as extremely high as 1000 W / mK or more, so the heat dissipation characteristics are excellent. Further, even when used in an accelerator type neutron generator, there is no risk of activation or beam obstruction, and it is possible to withstand irradiation conditions of a high intensity beam for a long time at a high temperature.
  • FIG. 1 is a schematic perspective exploded view showing an example of the target module of the present invention.
  • the present invention has a higher thermal conductivity (1000 W / mK) than a natural graphite sheet having a thermal conductivity of about 200 to 500 W / mK or a graphite sheet obtained by a conventional polymer firing method having a thermal conductivity of about 600 to 1600 W / mK.
  • the first feature is that a graphite sheet of 1800 W / mK or more is used.
  • Such a graphite sheet with high thermal conductivity is produced by a method of heating and carbonizing and graphitizing a polymer film obtained from an aromatic polymer (especially aromatic polyimide).
  • the thickness can be in the range of 9.6 ⁇ m to 50 nm, the density of the graphite sheet can be 1.8 g / cm 3 or more, and the graphitization can be performed at an ultrahigh temperature of 2900 ° C. or more.
  • the polymer raw material preferably used for producing the graphite of the present invention is an aromatic polymer, and examples of the aromatic polymer include polyamide, polyimide, polyquinoxaline, polyoxadiazole, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenz It is preferably at least one selected from thiazole, polyquinazolinedione, polybenzoxazinone, polyquinazolone, benzimidazobenzophenanthroline ladder polymer, and derivatives thereof. What is necessary is just to manufacture the film which consists of these polymer raw materials with a well-known manufacturing method.
  • the polymer raw material include aromatic polyimide, polyparaphenylene vinylene, and polyparaphenylene oxadiazole.
  • aromatic polyimide prepared from polyamic acid from acid dianhydride (especially aromatic dianhydride) and diamine (especially aromatic diamine) described below is used as a polymer raw material for producing graphite of the present invention. Particularly preferred.
  • Examples of the acid dianhydride that can be used for the synthesis of the aromatic polyimide include pyromellitic acid anhydride, 2,3,6,7-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-biphenyl.
  • Tetracarboxylic dianhydride 1,2,5,6-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 2,2 ′, 3,3′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4 ′ -Benzophenone tetracarboxylic dianhydride, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) propane dianhydride, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, bis (3,4- Dicarboxyphenyl) propane dianhydride, 1,1-bis (2,3-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, 1,1-bis (3,4-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, bis (2 , 3-Zika Boxyphenyl) methane dianhydride, bis (3,4-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, oxydiphthalic dianhydride, bis (3,4
  • diamine examples include 4,4′-diaminodiphenyl ether, p-phenylenediamine, 4,4′-diaminodiphenylpropane, 4,4′-diaminodiphenylmethane, benzidine, and 3,3 ′.
  • a known method can be used for preparing the polyamic acid from the acid dianhydride and the diamine, and usually at least one of the aromatic dianhydride and at least one of the diamine are dissolved in an organic solvent,
  • the obtained polyamic acid organic solvent solution is produced by stirring under controlled temperature conditions until polymerization of the acid dianhydride and diamine is completed.
  • These polyamic acid solutions are usually obtained at a concentration of 5 to 35 wt%, preferably 10 to 30 wt%. When the concentration is in this range, an appropriate molecular weight and solution viscosity can be obtained.
  • the acid dianhydride in the raw material solution is preferably substantially equimolar, and the molar ratio is, for example, 1.5: 1 to 1: 1.5, preferably 1.2: 1 to 1. : 1.2, more preferably 1.1: 1 to 1: 1.1.
  • the polyimide production method includes a heat curing method in which the precursor polyamic acid is converted to imide by heating, a polyhydric acid such as acetic anhydride and other dehydrating agents, picoline, quinoline, isoquinoline, pyridine, etc.
  • a chemical cure method in which tertiary amines are used as imidization accelerators and imide conversion is performed, any of which may be used.
  • the resulting film has a small coefficient of linear expansion, a high elastic modulus, and a high birefringence, which can be easily damaged without being damaged even when a tension is applied during the baking of the film, and a high-quality graphite can be obtained. Therefore, the chemical cure method is preferable.
  • the chemical cure method is also excellent in improving the thermal conductivity of the graphite film.
  • the high thermal conductivity (1000 W / mK or more) graphite sheet used in the present invention has a thickness in the range of 9.6 ⁇ m to 50 nm.
  • the thickness of the raw polymer film is Is preferably in the range of 18 ⁇ m to 120 nm. This is because the thickness of the finally obtained graphite sheet is generally about 60 to 30% of the thickness when the starting polymer film is 1 ⁇ m or more, and often about 50 to 20% when the thickness is 1 ⁇ m or less. .
  • the thickness of the starting polymer film is in the range of 30 ⁇ m or less and 100 nm or more.
  • the length direction is often reduced to about 100 to 70%.
  • the polymer film can be produced from the polymer raw material or its synthetic raw material by various known methods.
  • the polyimide film is produced by casting an organic solvent solution of polyamic acid, which is the polyimide precursor, on a support such as an endless belt or a stainless drum, followed by drying and imidization.
  • the film production method by the chemical cure method is as follows. First, a stoichiometric or higher stoichiometric dehydrating agent and a catalytic amount of an imidization accelerator are added to the above polyamic acid solution, and cast or coated on a support such as a support plate, an organic film such as PET, a drum or an endless belt, etc.
  • a film having self-supporting properties is obtained by evaporating the organic solvent. Then, this is further heated and dried to imidize to obtain a polyimide film.
  • the temperature during heating is preferably in the range of 150 ° C to 550 ° C.
  • polyimides with excellent orientation require minimal rearrangement, they can be converted to graphite even at low temperatures. It is presumed that the conversion of
  • the starting polymer film is preheated in an inert gas to perform carbonization.
  • an inert gas nitrogen, argon or a mixed gas of argon and nitrogen is preferably used.
  • Preheating is usually performed at about 1000 ° C.
  • the rate of temperature increase up to the preheating temperature is not particularly limited, but can be, for example, 5 to 15 ° C./min.
  • it is effective to apply a pressure in the plane direction that does not cause the film to break so that the orientation of the starting polymer film is not lost.
  • the film carbonized by the above method is set in a high temperature furnace and graphitized.
  • the carbonized film is preferably set between a CIP material and a glassy carbon substrate.
  • Graphitization is usually carried out at a high temperature of 2600 ° C. or higher, but in order to create such a high temperature, an electric current is usually passed directly to the graphite heater and heating is carried out using its juule heat.
  • Graphitization is performed in an inert gas. Argon is most suitable as the inert gas, and a small amount of helium may be added to argon. The higher the treatment temperature, the higher the quality graphite can be converted.
  • the area shrinks by about 10 to 40% from the original polyimide film, and in the process of graphitization, on the contrary, it often expands by about 10%. Due to such shrinkage and expansion, internal stress is generated in the graphite sheet, and distortion is generated in the graphite sheet.
  • Such strain and internal stress are alleviated by treatment at 2900 ° C. or higher, the graphite layers are regularly arranged, and the thermal conductivity is further increased.
  • the treatment temperature is preferably 2900 ° C. or higher, more preferably 3000 ° C. or higher, and most preferably 3100 ° C. or higher.
  • this treatment temperature may be the maximum treatment temperature in the graphitization process, and the obtained graphite sheet may be reheated in the form of annealing. Even if the treatment temperature is 3700 ° C. or lower (particularly 3600 ° C. or lower, or 3500 ° C. or lower), an excellent graphite film can be obtained.
  • the rate of temperature increase from the preheating temperature to the heat treatment temperature can be, for example, 15 to 25 ° C./min.
  • the holding time at the treatment temperature is, for example, 20 minutes or longer, preferably 30 minutes or longer, and may be 1 hour or longer.
  • the upper limit of the holding time is not particularly limited, but it may be usually 5 hours or less, particularly 3 hours or less.
  • the atmosphere in the high temperature furnace is preferably pressurized by the inert gas.
  • the heat treatment temperature is high, sublimation of carbon starts from the sheet surface, and deterioration phenomena such as holes on the graphite sheet surface, crack expansion and thinning occur, but such deterioration phenomenon can be prevented by applying pressure, and excellent graphite A sheet can be obtained.
  • the atmospheric pressure (gauge pressure) of the high-temperature furnace with the inert gas is, for example, 0.10 MPa or more, preferably 0.12 MPa or more, and more preferably 0.14 MPa or more.
  • the upper limit of the atmospheric pressure is not particularly limited, but may be, for example, about 2 MPa or less, particularly about 1.8 MPa or less.
  • the temperature may be lowered at a rate of 30 to 50 ° C./min, for example.
  • the thickness of the graphite sheet used in the present invention is preferably 9.6 ⁇ m or less from the viewpoint that the thinner the graphite sheet, the better the high thermal conductivity. This is considered as follows. That is, in the graphite sheet production by the polymer firing method, it is considered that the graphitization reaction forms a graphite structure in the outermost surface layer of the polymer carbonized sheet, and the graphite structure grows toward the inside of the film. When the film thickness of the graphite sheet is increased, the graphite structure inside the carbonized sheet is disturbed during graphitization, and cavities and defects are easily formed.
  • the sheet becomes thinner, graphitization proceeds to the inside with the graphite layer structure on the surface of the sheet being in order, and as a result, it is easy to form a graphite structure in the entire sheet. Since the graphite layer structure is in place as described above, it is considered that the graphite sheet exhibits high thermal conductivity.
  • the thickness of the graphite sheet is 50 nm or less, high thermal conductivity is hardly exhibited. The reason for this is not necessarily clear, but the graphite sheet produced by the method of the present invention has a high flexibility but lacks elasticity when it is 50 nm or less.
  • the thickness range of the graphite sheet of the present invention is 9.6 ⁇ m to 50 nm, preferably 7.5 ⁇ m to 50 nm, more preferably 6.5 ⁇ m to 100 nm, and still more preferably.
  • the thickness is 5.0 ⁇ m to 100 nm, and most preferably 3.0 ⁇ m to 200 nm.
  • the thin one sticks along the unevenness of the substrate surface, and once it sticks, it cannot be removed without using tape or the like. If the thickness of the graphite sheet is larger than 9.6 ⁇ m, the graphite structure inside the carbonized sheet is disturbed during graphitization, and cavities and defects may be easily formed. On the other hand, if it is less than 50 nm, it is not preferable because it is rich in flexibility but lacks elasticity and may hinder the expression of high thermal conductivity.
  • the density of the graphite sheet according to the present invention is preferably 1.8 g / cm 3 or more.
  • a highly heat conductive graphite sheet has a very dense structure with no defects or cavities in the sheet. If defects or cavities enter the graphite sheet, the density tends to decrease and the thermal conductivity tends to decrease.
  • the density of the graphite is preferably large, preferably 1.8 g / cm 3 or more, more preferably 2.0 g / cm 3 or more, and most preferably 2.1 g / cm 3 or more.
  • the upper limit of the density is 2.26 g / cm 3 or less, and may be 2.20 g / cm 3 or less.
  • a graphite sheet obtained by carbonizing and graphitizing a polymer film as used in the present invention is a pyrolytic graphite (pyrolytic decomposition) which is supplied on a heated substrate with an organic gas such as methane and grown in the gas phase therefrom.
  • pyrolytic graphite pyrolytic decomposition
  • organic gas such as methane
  • HOPG highly oriented pyrolytic graphite
  • Pyrolytic graphite has a columnar structure, and this columnar grain boundary structure does not completely disappear even when HOPG is produced by high-temperature treatment.
  • the average crystal grain size (domain size) of graphite used in the present invention may be 10 ⁇ m or less, 7 ⁇ m or less, or 5 ⁇ m or less.
  • the graphite sheet used in the present invention exhibits excellent thermal conductivity even when the average crystal grain size is 10 ⁇ m or less. This is presumably because the graphite sheet used in the present invention is high quality graphite having no columnar grain boundary structure as described above.
  • the reason why the thermal conductivity is affected by the crystal grain size is that phonons contributing to the thermal conduction are scattered at the crystal grain boundaries.
  • phonon scattering does not depend on small size crystal grain size.
  • the average crystal grain size of the graphite sheet used in the present invention is, for example, 2 ⁇ m or more, preferably 3 ⁇ m or more, more preferably 4 ⁇ m or more.
  • the average crystal grain size (domain size) is, for example, 0.1 times or more, preferably 1 time or more, more preferably 2 times or more the thickness of the graphite sheet.
  • the graphite sheet used in the present invention has a thermal conductivity in the ab plane direction at a temperature of 25 ° C. of 1000 W / mK or more, and the thermal conductivity is preferably 1800 W / mK or more, more preferably 1960 W / mK. Or more, more preferably 2000 W / mK or more, particularly preferably 2050 W / mK or more, and most preferably 2100 W / mK or more. It has been reported that the theoretical limit value of the thermal conductivity in the direction of the graphite ab plane is 1910 W / mK (Non-Patent Documents 5 and 6), and the thermal conductivity of 1960 W / mK or higher is such a limit value. This is a result that was far beyond what was previously expected.
  • the thermal conductivity may be 2400 W / mK or less, for example, or 2300 W / mK or less.
  • the graphite sheet is recommended to be used as an interlayer thermal bonding material (TIM) in a high vacuum (10 ⁇ 4 Pa or less, for example, about 10 ⁇ 6 to 10 ⁇ 7 Pa or less), and itself is used as a graphite substrate. As well as a substrate laminated with other base materials. Since the graphite sheet has already been graphitized at 2900 ° C. or higher, it does not contain impurities other than graphite and has high quality. Therefore, no outgassing occurs even under high vacuum or even locally heating.
  • the graphite sheet is chemically stable, and may be used for applications other than a high vacuum atmosphere as necessary. Nitrogen, argon, neon, helium, hydrogen, etc. are raised as the atmosphere other than the high vacuum atmosphere.
  • a high-vacuum target substrate material that can be used in a high-vacuum and highly reactive atmosphere by taking advantage of its high-purity and chemically stable characteristics
  • the target substrate material for high vacuum is a material in which the target and heat sink are joined with a graphite sheet using heat, pressure, laser, etc., or a target is prepared on a graphite sheet by vapor deposition, sputtering, or electrodeposition. This refers to a laminated material.
  • a reaction product between the target and the beam can be taken out.
  • the graphite sheet can be suitably used for such high vacuum / high reactivity applications.
  • the graphite sheet contributes to heat dissipation of the target without affecting these beams and reaction products with the target.
  • said target and its peripheral material heat sink material, casing material, etc.
  • a sealed container made of a combination of the above elements or any one or more of these elements may be filled with a gas such as hydrogen, helium, argon, or nitrogen.
  • the graphite sheet can be used as a material for a target support substrate, an accelerator, a device for neutron generation, a sensor for a nuclear reactor, a beam sensor, and the like.
  • an accelerator type neutron generator will be described as an example of such an application.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of a target module for neutron generation constituting the center of a neutron generator.
  • the neutron generating target module 70 includes a target fixing substrate 1, a neutron generating metal member (target) 10, and a proton that is stacked on the back side of the neutron generating metal member 10 and is slightly larger than the neutron generating metal member 10.
  • a laminated target material 60 for generating neutrons composed of an absorptive metal substrate 30 is an object of beam irradiation, and a heat sink member for cooling the laminated target material 60 is provided on the back side of the laminated target material 60. 40 is connected.
  • a moderator 50 for decelerating protons is attached to the back side of the heat sink member 40.
  • the neutron generator includes an accelerator (not shown) for generating accelerated protons and a neutron flight unit (not shown). Under high vacuum (10 ⁇ 4 Pa or less), neutrons are generated by hitting the neutron generating metal member 10. The generated protons are sent to a neutron flight unit (not shown) through the proton-absorbing metal substrate 30, the heat sink member 40, and the moderator 50 existing on the back surface thereof, and used for boron neutron capture therapy, non-destructive inspection, etc. Used for various applications.
  • the neutron generation laminated target material 60 becomes high temperature by reaction with high energy protons. Therefore, a heat sink member 40 is attached to cool the laminated target material 60, and the illustrated example is of a water cooling type.
  • the heat sink member 40 in the illustrated example includes a chamber (jacket) 42 for containing cooling water, and a water flow pipe 41 for supplying and draining the jacket 42, and water in the jacket 42 is provided.
  • the stacked target material 60 can be cooled by contacting the stacked target material 60.
  • the proton beam periodically superheats a very small part of the neutron-generating metal member 10 and repeats it for a long time. Therefore, there is a possibility that both the laminated target material 60 and the heat sink member 40 may be damaged by a heat shock only by cooling with water. Therefore, in the module of the present invention, a graphite sheet is used as an interlayer thermal bonding material (TIM).
  • TIM interlayer thermal bonding material
  • graphite sheet interlayer thermal bonding materials 20, 25 are provided between the neutron-generating metal member (target) 10 and the proton-absorbing metal substrate 30 and between the proton-absorbing metal substrate 30 and the heat sink member 40. Each is inserted.
  • the graphite interlayer thermal bonding material 20 between the neutron-generating metal member (target) 10 and the proton-absorbing metal substrate 30 has a circular shape equivalent to that of the neutron-generating metal member 10 and is proton-absorbing.
  • the interlayer heat bonding material 25 made of graphite between the metal substrate 30 and the heat sink member 40 has a hollow disk shape (donut shape), but as long as the members can be thermally bonded, the interlayer heat bonding material
  • the planar shape is not particularly limited, and may exist so as to overlap with the trajectory of the proton beam or neutron beam.
  • the graphite sheet is chemically stable, and even if it overlaps with the trajectory of the proton beam or neutron beam, these beams are not adversely affected, and the graphite sheet is not activated.
  • beryllium can be used as the neutron generating metal member 10.
  • the proton-absorbing metal substrate 30 one type or two or more types such as vanadium, niobium, and tantalum can be used.
  • the heat sink member 40 one type or two or more types such as aluminum and titanium can be used.
  • ⁇ Density> The density of the produced graphite is determined by measuring the volume of the graphite sheet with a helium gas displacement density meter [AccuPyc II 1340 Shimadzu Corporation], and measuring the mass separately. Density (g / cm 3 ) mass (g) Calculated from the formula of / volume (cm 3 ).
  • the thermal diffusivity of the graphite sheet was measured using a thermal diffusivity measuring device (ULVAC Riko Co., Ltd. “LaserPit” device) using a periodic heating method at 25 ° C. under vacuum (about 10 ⁇ 2 Pa) and a frequency of 10 Hz. Measured.
  • thermocouple is attached to a point separated from the laser heating point by a certain distance, and the temperature change is measured.
  • the thermal conductivity (W / mK) was calculated by multiplying the thermal diffusivity (m 2 / s), the density (kg / m 3 ) and the specific heat (798 kJ / (kg ⁇ K)).
  • the thermal diffusivity could be measured when the thickness of the graphite sheet was 1 ⁇ m or more.
  • the measurement error was too large and accurate measurement was possible. It was impossible.
  • a periodic heating radiation temperature measurement method (BETHEL Thermo Analyzer TA3).
  • BETHEL Thermo Analyzer TA3 This is a device that performs periodic heating with a laser and performs temperature measurement with a radiation thermometer. Since it is completely non-contact with the graphite sheet at the time of measurement, it is possible to measure even a sample with a graphite sheet thickness of 1 ⁇ m or less. . In order to confirm the reliability of the measured values of both apparatuses, some samples were measured with both apparatuses, and it was confirmed that the numerical values coincided.
  • the BETHEL apparatus can change the frequency of periodic heating in a range up to 800 Hz. That is, this apparatus is characterized in that the measurement of the temperature that is normally performed by a thermocouple is performed by a radiation thermometer, and the measurement frequency can be varied. In principle, a constant thermal diffusivity should be measured even if the frequency is changed. Therefore, in the measurement using this apparatus, the frequency was changed and the measurement was performed. When a sample having a thickness of 1 ⁇ m or less was measured, the measurement value was often varied in the measurement at 10 Hz or 20 Hz, but the measurement value was almost constant in the measurement from 70 Hz to 800 Hz. Therefore, the thermal diffusivity was determined by using a numerical value (a value at 70 Hz to 800 Hz) showing a constant value regardless of the frequency.
  • a curing agent composed of 20 g of acetic anhydride and 10 g of isoquinoline is mixed with 100 g of a 18 wt% DMF solution of polyamic acid obtained by synthesizing pyromellitic anhydride and 4,4′-diaminodiphenyl ether in a molar ratio of 1/1 and stirred. After defoaming by centrifugation, it was cast on aluminum foil. The process from stirring to defoaming was performed while cooling to 0 ° C. This laminate of aluminum foil and polyamic acid solution was heated at 120 ° C. for 150 seconds, 300 ° C., 400 ° C., and 500 ° C.
  • polyimide films having different thicknesses (polymer sample A).
  • a polyimide film (polymer sample B) was prepared using pyromellitic anhydride and p-phenylenediamine as raw materials, and 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride.
  • a polyimide film (polymer sample C) was prepared using the product and p-phenylenediamine as raw materials.
  • the thickness of the polyimide film several kinds of films having different thicknesses in the range of 18 ⁇ m to 100 nm were prepared by adjusting the casting speed and the like.
  • Table 1 shows values of thickness ( ⁇ m), density (g / cm 3 ), and thermal conductivity (W / mK) of the obtained graphite sheet. It was found that the films having the thicknesses shown in this table exhibited excellent thermal conductivity of 1000 W / mK or more, preferably 1800 W / mK or more, by heat treatment at 2900 ° C. for 30 minutes or more in any sample.

Abstract

　高真空条件下においても層間熱接合材として熱伝導特性に優れており、かつ装置内部の汚染やアウトガスの心配のない材料を提供することを目的とする。本発明の高真空用層間熱接合性グラファイトシートは、厚さが９．６μｍ以下、５０ｎｍ以上であり、２５℃におけるａ－ｂ面方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫ以上である点に要旨を有する。本発明においては、密度が１．８ｇ／ｃｍ3以上であることが好ましい。本発明の前記グラファイトシートは、高分子フィルムを２９００℃以上の温度で熱処理して得られるものであることが好ましく、該高分子フィルムは、ポリアミド、ポリイミド、ポリキノキサリン、ポリオキサジアゾール、ポリベンズイミダゾール等から選択される少なくとも一種であることが好ましい。

Description

高真空用層間熱接合性グラファイトシート
　本発明は、超高真空下でのアウトガスの恐れがない高真空用層間熱接合性グラファイトシートに関する。
　脳腫瘍、肝臓、メラノーマなどで通常の外科手術では施しようのない深い部分の腫瘍を除去できることから中性子を用いたホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）が注目されている（非特許文献１）。この治療で使用する中性子の発生方法として、原子炉を利用したものと加速器を利用したものがある。簡便かつ安全な中性子発生方法として、現在加速器を利用したものが注目されている。この装置では陽子を段階的に加速させて陽子ビームとしたのち、ターゲットと呼ばれる金属または黒鉛製の塊に衝突させる方法により中性子を作り出している（非特許文献２）。またこうした加速器型の中性子発生装置は、橋梁の鉄骨の健全性を非破壊検査する装置として利用することも期待されており、その他、自動車産業、航空機、宇宙産業での利用も期待されている（非特許文献３）。
　これら加速器で中性子を発生させるためにはビームを大強度にする必要がある。この大強度ビームがターゲットに通過する際ターゲットが高熱になり、熱でターゲットが変形することがある。そのためターゲットの背後に冷却用のヒートシンクを設置し、その中に冷却水を循環させることによりビームによる熱からターゲットを保護している。しかし、ビームは通常ターゲットの極一部を周期的に超加熱し、それを長時間繰り返すことになる。そのためターゲットのみならず冷却用のヒートシンクごとヒートショックにより破損する虞がある。通常ヒートシンクとして用いる金属は放射化やビームを阻害するため特定のものしか使用できない。例えばチタン（２２Ｗ／ｍＫ）、バナジウム（３１Ｗ／ｍＫ）、パラジウム（７２Ｗ／ｍＫ）、ニオブ（５４Ｗ／ｍＫ）、タンタル（５８Ｗ／ｍＫ）などが使用可能であるが、これらは熱伝導率が低い。そのため、ターゲットからの熱がヒートシンク全体に行きわたらず、冷却効率が悪いという問題があった。
　またターゲットの熱をヒートシンクに伝える際には、ターゲット－ヒートシンク間の表面形状に由来する熱抵抗が問題となる。この熱抵抗を軽減するため、層間熱接合材料（ＴＩＭ；Thermal Interface Material）が重要な役割を果たす。しかし、加速器内は超真空状態（１０-6～１０-7Ｐａ）に保たれているため、一般的に用いる放熱グリースやフェイズチェンジシートではアウトガスによって装置内を汚染する。また金属、無機フィラーを含むＴＩＭでは、フィラーがビームライン内部に飛散し汚染する虞がある。
特許第４２９９２６１号公報 特許第４６８４３５４号公報
財団法人医用原子力技術研究振興財団「体にやさしい究極のがん治療　ホウ素中性子捕捉療法」、平成２３年５月 ＹＡＭＡＧＡＴＡ，　Ｙ．　ｅｔ　ａｌ，　Ｔｈｅ　２７ｔｈ　Ｗｏｒｌｄ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｔａｒｇｅｔ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｔａｒｇｅｔ　ａｎｄ　Ｃｈａｒｇｅ　Ｓｔｒｉｐｐｅｒ　Ｊａｐａｎ，　Ｔｏｋｙｏ，　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，　２０１４ 山形豊「理研における小型中性子源　ＲＡＮＳ」（ｗｗｗ．ｒｒｉ．ｋｙｏｔｏ－ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｎｅｕｔｒｏｎ／ｏｐｔｉｃｓ／ｗｏｒｋｓｈｏｐ／．．．／２０１３０１１８＿０６．ｐｄｆ） Ｙ．Ｈｉｓｈｉｙａｍａ，Ａ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｙ．Ｋａｂｕｒａｇｉ　炭素　２５４，１７６（２０１２） Ｐ. Ｇ. Ｋｌｅｍｅｎｓ ａｎｄ Ｄ. Ｆ. Ｐｅｄｒａｚａ　Ｃａｒｂｏｎ ３２, ７３５（１９９４） Ｐ．Ｇ．Ｋｌｅｍｅｎｓ　Ｊ.Ｗ．Ｂａｎｄｇａｐ, Ｍａｔｅｒｉａｌｓ, ７(４), ３３２(２０００)
　本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、層間熱接合材として熱伝導特性に優れており、高真空、高温条件下においてもアウトガスや装置内を汚染する心配のない材料を提供することにある。
　本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、グラファイトシートであれば、超高真空下でもアウトガスの心配がなく、層間熱接合材料（ＴＩＭ）として有望である事に気がついた。またグラファイトシートは、加速器型の中性子発生装置に使用した場合でも、放射化やビーム阻害の虞がなく、また高温、長時間の大強度ビームの照射条件に耐える事が可能であり、こうした用途で特に有望である事を見いだした。
　ところでグラファイトシートの一つとして、天然グラファイトが知られており（特許文献１）、こうしたものをＴＩＭとして使用することも考えられる。しかし、天然グラファイトシートの面方向の熱伝導率は２００～５００Ｗ／ｍＫ程度であって、軽いという特徴はあるものの、粉状、燐片状の天然グラファイトを原料としているためにシート強度が弱く、破損した場合にグラファイト片が筐体内で飛び散る恐れがあった。
　このような問題を解決するために、特殊な高分子フィルムを直接熱処理してグラファイト化する方法が開発されている（以下、高分子焼成法と記載する）。この方法で得られたグラファイトシート作製は従来の天然グラファイトシートの作製法に比べて簡略で、機械的特性にも優れており、さらには非常に優れた熱伝導性が得られるという特徴がある（特許文献２）。高分子焼成法によるグラファイトシートの面方向の熱伝導率は６００～１６００Ｗ／ｍＫと高く、さらに曲げや衝撃などにも強いため、現在、多くの携帯端末に採用されている。
　しかし、上記のように超高真空条件で従来よりも高い熱伝導性を示すグラファイトシートが求められており、特に超高真空、高温条件で、かつ大強度の陽子ビームの照射においても耐えうる高真空用層間熱接合性グラファイトシートが切望されている。そこでさらに検討を進めた結果、高分子として芳香族高分子（特に芳香族ポリイミド）を用い、最終的に得られるグラファイトシートの厚みが９．６μｍ～５０ｎｍの範囲となるようにし、グラファイトシートの密度が１．８ｇ／ｃｍ3以上になるようにし、グラファイト化を２９００℃以上の超高温で行う事によって、熱伝導率１０００Ｗ／ｍＫ以上の高真空用層間熱接合性グラファイトシートを作製する事に成功し、本発明を成すに至った。本シートは容易に実用的な取り扱いが可能な大面積フィルムとしては最高レベルの高熱伝導性素材であり、超真空、高温下においてもアウトガスの心配もなく、化学安定性、耐熱性も非常に高い。したがって、その応用の範囲は非常に広いと考えられる。
　上記目的を達成し得た本発明の高真空用層間熱接合性グラファイトシートとは、厚さが９．６μｍ以下、５０ｎｍ以上であり、２５℃におけるａ－ｂ面方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫ以上である点に要旨を有する。本発明においては、密度が１．８ｇ／ｃｍ3以上であることが好ましい。
　本発明の前記グラファイトシートは、高分子フィルムを２９００℃以上の温度で熱処理して得られるものであることが好ましい。該高分子フィルムは、ポリアミド、ポリイミド、ポリキノキサリン、ポリオキサジアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリキナゾリンジオン、ポリベンゾオキサジノン、ポリキナゾロン、ベンズイミダゾベンゾフェナントロリンラダーポリマーおよびこれらの誘導体から選択される少なくとも一種であることが好ましい。
　前記高分子フィルムは芳香族ポリイミドであることが好ましく、該芳香族ポリイミドは、ピロメリット酸無水物、３，３’，４，４’－ビフェニルテトラカルボン酸二無水物のいずれか、または両方を原料に用いて得られるポリイミドであることや、４，４’－ジアミノジフェニルエーテル、ｐ－フェニレンジアミンのいずれか、または両方を原料に用いて得られるポリイミドであることが好ましい。
　本発明は、上記したいずれかの高真空用層間熱接合性グラファイトシートから作製される高真空用グラファイト基板材料や、高真空用ターゲット基板材料も包含する。
　本発明は、中性子生成金属部材とプロトン吸収性金属基板とが積層されており、これら中性子生成金属部材とプロトン吸収性金属基板との間に上記したいずれかの高真空用熱接合性グラファイトシートが介挿されている中性子発生用積層型ターゲット材料も包含する。
　更に、本発明は、中性子生成金属部材とプロトン吸収性金属基板とヒートシンク部材とがこの順で積層されており、中性子生成金属部材とプロトン吸収性金属基板との間、及びプロトン吸収性金属基板とヒートシンク部材との間に上記したいずれかの高真空用熱接合性グラファイトシートが挿入されている中性子発生用ターゲットモジュールも包含する。該ターゲットモジュールにおいて、前記中性子生成金属部材がベリリウムターゲットであり、プロトン吸収性金属基板がバナジウム、ニオブ、及びタンタルから選ばれる少なくとも１種の材料で形成されており、前記ヒートシンク部材がアルミニウム及びチタンから選ばれる少なくとも１種の材料で形成されていることが好ましい。
　本発明のグラファイトシートによれば、高真空下でもアウトガスの虞がなく、かつ２５℃におけるａ－ｂ面方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫ以上と極めて高いため、放熱特性に優れる。また、加速器型の中性子発生装置に使用した場合でも、放射化やビーム阻害の虞がなく、さらに高温、長時間の大強度ビームの照射条件に耐える事が可能である。
図１は本発明のターゲットモジュールの一例を示す概略斜視分解図である。
　以下に本発明の詳細について述べるが、本発明は以下の説明に限定されるものではない。
　＜グラファイトシート＞
　本発明は、熱伝導率が２００～５００Ｗ／ｍＫ程度の天然グラファイトシートや、熱伝導率が６００～１６００Ｗ／ｍＫ程度の従来の高分子焼成法によるグラファイトシートよりも高い熱伝導率（１０００Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１８００Ｗ／ｍＫ以上）のグラファイトシートを用いる点に第１の特徴がある。こういった高熱伝導率のグラファイトシートは、芳香族高分子（特に芳香族ポリイミド）から得られる高分子フィルムを加熱して炭化及びグラファイト化する方法で製造され、特に最終的に得られるグラファイトシートの厚みが９．６μｍ～５０ｎｍの範囲となるようにし、グラファイトシートの密度が１．８ｇ／ｃｍ3以上になるようにし、またグラファイト化を２９００℃以上の超高温で行う事によって製造できる。
　＜高分子原料＞
　最初に本発明のグラファイトシートの製造に用いられる高分子フィルム原料について記述する。本発明のグラファイト作製に好ましく用いられる高分子原料は芳香族高分子であり、この芳香族高分子としては、ポリアミド、ポリイミド、ポリキノキサリン、ポリオキサジアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリキナゾリンジオン、ポリベンゾオキサジノン、ポリキナゾロン、ベンズイミダゾベンゾフェナントロリンラダーポリマー、およびこれらの誘導体から選択される少なくとも一種であることが好ましい。これらの高分子原料からなるフィルムは公知の製造方法で製造すればよい。特に好ましい高分子原料として芳香族ポリイミド、ポリパラフェニレンビニレン、ポリパラフェニレンオキサジアゾールを例示する事ができる。中でも以下に記載する酸二無水物（特に芳香族酸二無水物）とジアミン（特に芳香族ジアミン）からポリアミド酸を経て作製される芳香族ポリイミドは本発明のグラファイト作製のための高分子原料として特に好ましい。
　前記芳香族ポリイミドの合成に用いられ得る酸二無水物としては、ピロメリット酸無水物、２，３，６，７－ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’－ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、１，２，５，６－ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、２，２’，３，３’－ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’－ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、２，２－ビス（３，４－ジカルボキシフェニル）プロパン二無水物、３，４，９，１０－ペリレンテトラカルボン酸二無水物、ビス（３，４－ジカルボキシフェニル）プロパン二無水物、１，１－ビス（２，３－ジカルボキシフェニル）エタン二無水物、１，１－ビス（３，４－ジカルボキシフェニル）エタン二無水物、ビス（２，３－ジカルボキシフェニル）メタン二無水物、ビス（３，４－ジカルボキシフェニル）エタン二無水物、オキシジフタル酸二無水物、ビス（３，４－ジカルボキシフェニル）スルホン二無水物、ｐ－フェニレンビス（トリメリット酸モノエステル酸無水物）、エチレンビス（トリメリット酸モノエステル酸無水物）、ビスフェノールＡビス（トリメリット酸モノエステル酸無水物）、およびそれらの類似物を含み、それらを単独または任意の割合の混合物で用いることができる。 特に非常に剛直な構造を有した高分子構造を持つほどポリイミドフィルムの配向性が高くなること、さらには入手性の観点から、ピロメリット酸無水物、３，３’，４，４’－ビフェニルテトラカルボン酸二無水物が特に好ましい。
　前記芳香族ポリイミドの合成に用いられ得るジアミンとしては、４，４’－ジアミノジフェニルエーテル、ｐ－フェニレンジアミン、４，４’－ジアミノジフェニルプロパン、４，４’－ジアミノジフェニルメタン、ベンジジン、３，３’－ジクロロベンジジン、４，４’－ジアミノジフェニルスルフィド、３，３’－ジアミノジフェニルスルホン、４，４’－ジアミノジフェニルスルホン、４，４’－ジアミノジフェニルエーテル、３，３’－ジアミノジフェニルエーテル、３，４’－ジアミノジフェニルエーテル、１，５－ジアミノナフタレン、４，４’－ジアミノジフェニルジエチルシラン、４，４’－ジアミノジフェニルシラン、４，４’－ジアミノジフェニルエチルホスフィンオキシド、４，４’－ジアミノジフェニルＮ－メチルアミン、４，４’－ジアミノジフェニル Ｎ－フェニルアミン、１，４－ジアミノベンゼン（ｐ－フェニレンジアミン）、１，３－ジアミノベンゼン、１，２－ジアミノベンゼンおよびそれらの類似物を含み、それらを単独でまたは任意の割合の混合物で用いることができる。 さらにポリイミドフィルムの配向性を高くすること、入手性の観点から、４，４’－ジアミノジフェニルエーテル、ｐ－フェニレンジアミンを原料に用いて合成されることが特に好ましい。
　前記酸二無水物とジアミンからのポリアミド酸の調製には公知の方法を用いることができ、通常、芳香族酸二無水物の少なくとも１種とジアミンの少なくとも１種を有機溶媒中に溶解させ、得られたポリアミド酸有機溶媒溶液を、制御された温度条件下で、上記酸二無水物とジアミンの重合が完了するまで攪拌することによって製造される。これらのポリアミド酸溶液は通常５～３５ｗｔ％、好ましくは１０～３０ｗｔ％の濃度で得られる。この範囲の濃度である場合に適当な分子量と溶液粘度を得る事が出来る。
　前記原料溶液中の酸二無水物とは実質的に等モル量にすることが好ましく、モル比は、例えば、１．５：１～１：１．５、好ましくは１．２：１～１：１．２、より好ましくは１．１：１～１：１．１である。
　＜ポリイミドの合成、製膜＞
　ポリイミドの製造方法には、前駆体であるポリアミド酸を加熱でイミド転化する熱キュア法、ポリアミド酸に無水酢酸等の酸無水物に代表される脱水剤や、ピコリン、キノリン、イソキノリン、ピリジン等の第３級アミン類をイミド化促進剤として用い、イミド転化するケミカルキュア法があるが、そのいずれを用いても良い。得られるフィルムの線膨張係数が小さく、弾性率が高く、複屈折率が大きくなりやすく、フィルムの焼成中に張力をかけたとしても破損することなく、また、品質の良いグラファイトを得ることができるという点からケミカルキュア法が好ましい。またケミカルキュア法は、グラファイトフィルムの熱伝導率の向上の面でも優れている。
　本発明で使用する高熱伝導性（１０００Ｗ／ｍＫ以上の）グラファイトシートは厚さが９．６μｍ～５０ｎｍの範囲であり、この様な範囲のグラファイトシートを得るためには原料高分子フィルムの厚さは１８μｍ～１２０ｎｍの範囲である事が好ましい。これは、最終的に得られるグラファイトシートの厚さは、一般に出発高分子フィルムが１μｍ以上では厚さの６０～３０％程度となり、１μｍ以下では５０～２０％程度となる事が多い事によっている。従って、最終的に本発明の９．６μｍから５０ｎｍの厚さのグラファイトシートを得るためには、出発高分子フィルムの厚さは３０μｍ以下、１００ｎｍ以上の範囲である事が好ましいという事になる。一方、長さ方向は１００～７０％程度に縮小する事が多い。
　前記高分子フィルムは、前記高分子原料又はその合成原料から公知の種々の手法によって製造できる。例えば、前記ポリイミドフィルムは、上記ポリイミド前駆体であるポリアミド酸の有機溶剤溶液をエンドレスベルト、ステンレスドラムなどの支持体上に流延し、乾燥・イミド化させることにより製造される。具体的にケミカルキュア法によるフィルムの製造法は以下のようになる。まず上記ポリアミド酸溶液に化学量論以上の脱水剤と触媒量のイミド化促進剤を加え支持板やＰＥＴ等の有機フィルム、ドラム又はエンドレスベルト等の支持体上に流延又は塗布して膜状とし、有機溶媒を蒸発させることにより自己支持性を有する膜を得る。次いで、これを更に加熱して乾燥させつつイミド化させポリイミドフィルムを得る。加熱の際の温度は、１５０℃から５５０℃の範囲の温度が好ましい。さらに、ポリイミドの製造工程中に、収縮を防止するためにフィルムを固定したり、延伸したりする工程を含む事が好ましい。これは、分子構造およびその高次構造が制御されたフィルムを用いる事でグラファイトへの転化がより容易に進行する、という事によっている。すなわち、グラファイト化反応をスムーズに進行させるためには炭素前駆体中の炭素分子が再配列する必要があるが、配向性にすぐれたポリイミドではその再配列が最小で済むために、低温でもグラファイトへの転化が進み易いと推測される。
　＜炭素化・グラファイト化＞
　次に、ポリイミドに代表される高分子フィルムの炭素化・グラファイト化の手法について述べる。本発明では出発物質である高分子フィルムを不活性ガス中で予備加熱し、炭素化を行う。不活性ガスは、窒素、アルゴンあるいはアルゴンと窒素の混合ガスが好ましく用いられる。予備加熱は通常１０００℃程度で行う。予備加熱温度までの昇温速度は特に限定されないが、例えば５～１５℃／分とできる。予備処理の段階では出発高分子フィルムの配向性が失われない様に、フィルムの破壊が起きない程度の面方向の圧力を加える事が有効である。
　上記の方法で炭素化されたフィルムを高温炉内にセットし、グラファイト化を行なう。炭素化フィルムのセットはＣＩＰ材やグラッシーカーボン基板に挟んで行う事が好ましい。グラファイト化は通常２６００℃以上の高温で行われるが、この様な高温を作り出すには、通常グラファイトヒーターに直接電流を流し、そのジュ－ル熱を利用して加熱を行なう。グラファイト化は不活性ガス中で行なうが、不活性ガスとしてはアルゴンが最も適当であり、アルゴンに少量のヘリウムを加えても良い。処理温度は高ければ高いほど良質のグラファイトに転化出来る。熱分解と炭素化によりその面積は元のポリイミドフィルムより約１０～４０％程度収縮し、グラファイト化の過程では逆に約１０％程度拡大する事が多い。このような収縮、拡大によってグラファイトシート内には内部応力が発生しグラファイトシート内部にひずみが発生する。この様なひずみや内部応力は２９００℃以上で処理することにより緩和されてグラファイトの層が規則正しく配列し、さらに熱伝導率が高くなる。本発明のグラファイトを得るためには２６００℃では不足で、処理温度は２９００℃以上が好ましく、３０００℃以上の温度で処理する事はより好ましく、３１００℃以上である事は最も好ましい。無論、この処理温度はグラファイト化過程における最高処理温度としても良く、得られたグラファイトシートをアニーリングの形で再熱処理しても良い。なお処理温度は、例えば、３７００℃以下（特に３６００℃以下、或いは３５００℃以下）であっても、優れたグラファイトフィルムが得られる。前記予備加熱温度から当該熱処理温度までの昇温速度は、例えば１５～２５℃／分とできる。当該処理温度での保持時間は、例えば、２０分以上、好ましくは３０分以上であり、１時間以上であってもよい。保持時間の上限は特に限定されないが、通常、５時間以下、特に３時間以下程度としてもよい。温度３０００℃以上で熱処理してグラファイト化する場合、高温炉内の雰囲気は前記不活性ガスによって加圧されているのが好ましい。熱処理温度が高いとシート表面から炭素の昇華が始まり、グラファイトシート表面の穴、われの拡大と薄膜化などの劣化現象が生じるが、加圧することによってこの様な劣化現象を防止でき、優れたグラファイトシートを得ることができる。不活性ガスによる高温炉の雰囲気圧力（ゲージ圧）は、例えば、０．１０ＭＰａ以上、好ましくは０．１２ＭＰａ以上、さらに好ましくは０．１４ＭＰａ以上である。この雰囲気圧力の上限は特に限定されないが、例えば、２ＭＰａ以下、特に１．８ＭＰａ以下程度であってもよい。熱処理後は、例えば３０～５０℃／分の速度で降温すれば良い。
　＜グラファイトシートの特徴＞
　本発明で使用するグラファイトシートは薄いほど高熱伝導率に優れやすいという観点から９．６μｍ以下が好ましい。これは以下の様に考えられる。すなわち、高分子焼成法によるグラファイトシート製造において、グラファイト化反応は高分子炭素化シート最表面層でグラファイト構造が形成され、膜内部向かってグラファイト構造が成長すると考えられている。グラファイトシートの膜厚が厚くなると、グラファイト化時に炭化シート内部のグラファイト構造が乱れ、空洞や欠損ができやすくなる。反対にシートが薄くなればシート表面のグラファイト層構造が整った状態で内部までグラファイト化が進行し、結果としてシート全体に整ったグラファイト構造ができやすい。上記のようにグラファイト層構造が整っているため、高い熱伝導率を示すグラファイトシートになると考えられる。
　一方、本発明の作製方法ではグラファイトシートの厚さが５０ｎｍ以下になると高熱伝導性が発現し難くなる。その理由は必ずしも明確ではないが、本発明の方法で作製したグラファイトシートは５０ｎｍ以下になると柔軟性には富むものの弾力性には欠けるものとなる。グラファイトシートの熱伝導はそのほとんどが格子振動（フォノン）によって起こることが知られている事から、フィルムの弾力性が減少する事が高熱伝導性発現の妨げになっていると推定している。５０ｎｍ以下の厚さで弾力性に富むグラファイトシートを作製する事は難しい。以上述べた様に、本発明のグラファイトシートの厚さの範囲は９．６μｍ～５０ｎｍであるが、好ましくは７．５μｍ～５０ｎｍであり、より好ましくは６．５μｍ～１００ｎｍであり、さらに好ましくは５．０μｍ～１００ｎｍであり、最も好ましくは３．０μｍ～２００ｎｍである。厚さが薄いものは、基板表面の凹凸に沿って張り付き、一旦張り付くとテープなどを使用しないと外せない。グラファイトシートの厚さが９．６μｍより大きいと、グラファイト化時に炭化シート内部のグラファイト構造が乱れ、空洞や欠損ができやすくなることがあるので好ましくない。また、５０ｎｍより小さいと、柔軟性には富むものの弾力性には欠け、高熱伝導性発現の妨げになることがあるので好ましくない。
　本発明によるグラファイトシートの密度は１．８ｇ／ｃｍ3以上であることが好ましい。一般に高熱伝導性のグラファイトシートはシート中に欠損や空洞がない、非常に密な構造である。欠損や空洞がグラファイトシート中に入ると、密度が下がり熱伝導率も低下する傾向がある。このことから、グラファイトの密度は大きいことが好ましく１．８ｇ／ｃｍ3以上、さらには２．０ｇ／ｃｍ3以上であることがより好ましく、２．１ｇ／ｃｍ3以上であることは最も好ましい。密度の上限は、２．２６ｇ／ｃｍ3以下であり、２．２０ｇ／ｃｍ3以下であってもよい。
　本発明で使用する様な高分子フィルムを炭化・グラファイト化して得られるグラファイトシートは、メタンなどの有機ガスを加熱した基板上に供給し、そこから気相で成長させたパイロリティックグラファイト（熱分解グラファイト）をさらに高温で処理して作製される高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）と比べた時、前記パイロリティックグラファイトの痕跡が存在しないという特徴も有している。パイロリティックグラファイトは柱状構造を有しており、これを高温処理してＨＯＰＧを作製しても、この柱状の粒界構造が完全には消失する事はない。
　本発明で使用するグラファイトの平均結晶粒径（ドメインサイズ）は、１０μｍ以下であってもよく、７μｍ以下であってもよく、５μｍ以下であってもよい。高熱伝導率を達成するには、大きな結晶粒径にすることが有利であるが、本発明で使用する前記グラファイトシートは平均結晶粒径が１０μｍ以下でも優れた熱伝導性を示す。これは、本発明で使用するグラファイトシートが、上述した様に、柱状粒界構造を有さない高品質グラファイトであるためと推察される。そもそも熱伝導率が結晶粒径に影響を受けるのは、熱伝導に寄与するフォノンが結晶粒界で散乱するためである。しかし、高品質グラファイトでは、フォノンの散乱が小さなサイズの結晶粒径には依存しなくなる。これは、高品質グラファイトではほとんどウムクラップ過程という散乱のみとなるためであると解釈されている（非特許文献４）。なお本発明で使用するグラファイトシートの平均結晶粒径は、例えば、２μｍ以上、好ましくは３μｍ以上、より好ましくは４μｍ以上である。また該平均結晶粒径（ドメインサイズ）は、グラファイトシートの厚みの例えば０．１倍以上、好ましくは１倍以上、さらに好ましくは２倍以上である。
　本発明で使用するグラファイトシートは温度２５℃におけるａ－ｂ面方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫ以上のものであるが、熱伝導率は、好ましくは１８００Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは１９６０Ｗ／ｍＫ以上であり、更に好ましくは２０００Ｗ／ｍＫ以上であり、特に好ましくは２０５０Ｗ／ｍＫ以上であり、最も好ましくは２１００Ｗ／ｍＫ以上である。グラファイトａ－ｂ面方向の熱伝導率の理論的な限界値は１９１０Ｗ／ｍＫであると報告されており（非特許文献５、６）、１９６０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率は、こうした限界値を大きく超えており、従来、予想さえもされていなかった結果である。なお熱伝導率は、例えば、２４００Ｗ／ｍＫ以下であってもよく、２３００Ｗ／ｍＫ以下であってもよい。
　＜高真空用グラファイト基板材料＞
　前記グラファイトシートは、高真空（１０-4Ｐａ以下。例えば１０-6～１０-7Ｐａ程度またはそれ以下）で層間熱接合性材料（ＴＩＭ）に使用することが推奨され、それ自身をグラファイト基板として使用できる他、他の基材と積層した基板としても使用できる。前記グラファイトシートは、すでに２９００℃以上での黒鉛化を実施したものであるため黒鉛以外の不純物を含まず、高品質である。そのため高真空下でも、さらには局所的に加熱してもアウトガスが発生しない。なおグラファイトシートは、化学的にも安定であり、必要に応じて、高真空雰囲気以外の用途で使用してもよい。高真空雰囲気以外の雰囲気としては、窒素、アルゴン、ネオン、ヘリウム、水素などが上げられる。
　＜高真空用ターゲット基板材料＞
　またＴＩＭ以外の本発明グラファイトシートの新規用途としては、その高純度かつ化学的に安定である特性を生かし、高真空かつ高反応性雰囲気で使用できる高真空用ターゲット基板材料が挙げられる。高真空用ターゲット基板材料とは、ターゲットとヒートシンクとをグラファイトシートで熱、加圧、レーザーなどを用いて接合した材料、または蒸着法、スパッタ法、電着法によりグラファイトシート上にターゲットを作製した積層材料のことをいい、このターゲットに種々のビームを照射することでターゲットとビームとの反応生成物を取り出すことが可能となる。こうした高真空・高反応性の用途にグラファイトシートは好適に使用できる。
　前記ビームとしては、陽子、中性子、イオン（重原子、軽原子）などが使用できる。グラファイトシートは、これらビームやそのターゲットとの反応生成物に影響を与えず、ターゲットの放熱に貢献する。
　前記ターゲットおよびその周辺材料（ヒートシンク材料、ケーシング材料など）としては特に限定しないが、リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素、カルシウム、金、銀、銅、アルミ、チタン、パラジウム、バナジウム、タンタル、ニオブ、ステンレス、真鍮、モリブデン、テクネチウムなどが挙げられ、またこれらいずれかひとつ以上を組み合わせたドープ体であってもよい。さらに上記の元素、またはこれらいずれかひとつ以上の元素を組み合わせでできた密閉容器が水素、ヘリウム、アルゴン、窒素などの気体で充たされていてもよい。
　＜中性子発生用ターゲットモジュール＞
　前記グラファイトシートは、上述したグラファイト基板材料、ターゲット基板材料の他、ターゲット支持基板、加速器、中性子発生用装置、原子炉用センサー、ビームセンサーなどの材料としても使用できる。以下では、こうした応用の一例として、加速器型の中性子発生装置を例にとって説明する。
　図１は、中性子発生装置の中心を構成する中性子発生用ターゲットモジュールの一例を示す概略斜視図である。この中性子発生用ターゲットモジュール７０は、ターゲット固定用基板１と、中性子生成金属部材（ターゲット）１０と、この中性子生成金属部材１０の背面側に積層されかつ中性子生成金属部材１０よりも一回り大きいプロトン吸収性金属基板３０とからなる中性子発生用積層型ターゲット材料６０がビーム照射対象となっており、この積層型ターゲット材料６０の背面側には、該積層型ターゲット材料６０を冷却するためのヒートシンク部材４０が接続している。そしてこのヒートシンク部材４０の裏側には、陽子を減速するためのモデレーター５０が取り付けられている。中性子発生装置は、こうした中性子発生用ターゲットモジュール７０の他に、加速陽子を発生するための加速器（図示せず）と、中性子飛行ユニット（図示せず）とを備えており、加速器からの陽子が、高真空下（１０-4Ｐａ以下）、前記中性子生成金属部材１０に当たることで中性子が生成する。そして生成した陽子は、その背面に存在するプロトン吸収性金属基板３０、ヒートシンク部材４０及びモデレーター５０を通過して中性子飛行ユニット（図示せず）に送られ、ホウ素中性子捕捉療法や非破壊検査などの種々の用途に使用される。
　こうした中性子発生用ターゲットモジュール７０において、中性子発生用積層型ターゲット材料６０は、高エネルギーの陽子との反応によって高温になる。そのため該積層型ターゲット材料６０を冷却するためにヒートシンク部材４０が取り付けられており、図示例のものは水冷式になっている。具体的には、図示例のヒートシンク部材４０は、冷却水をいれるための室（ジャケット）４２と、このジャケット４２に給・排水するための通水管４１とを備えており、ジャケット４２中の水が該積層型ターゲット材料６０と接することで該積層型ターゲット材料６０を冷却可能になっている。
　しかし、前記ターゲットモジュール７０では、陽子ビームは、中性子生成金属部材１０の極一部を周期的に超加熱し、それを長時間繰り返すことになる。そのため、単に水冷しただけでは、前記積層型ターゲット材料６０とヒートシンク部材４０の両方がヒートショックにより破損する虞がある。そこで本発明のモジュールでは、グラファイトシートが層間熱接合材料（ＴＩＭ）として使用される。図示例では、中性子生成金属部材（ターゲット）１０とプロトン吸収性金属基板３０との間、及びプロトン吸収性金属基板３０とヒートシンク部材４０との間に、グラファイトシート製層間熱接合材２０、２５がそれぞれ挿入されている。こうしたグラファイト製層間熱接合材２０、２５の少なくとも片方（好ましくは両方）を前記ターゲットモジュール７０に挿入することで、前記積層型ターゲット材料６０の放熱性を高めることが可能となり、その破損を防止できる。また、こうしたグラファイト製ＴＩＭは高耐熱性のため、高温条件下でそれ自身が破損することはない。
　なお図示例では、中性子生成金属部材（ターゲット）１０とプロトン吸収性金属基板３０の間のグラファイト製層間熱接合材２０は、中性子生成金属部材１０と同等の円形状をしており、プロトン吸収性金属基板３０とヒートシンク部材４０との間のグラファイト製層間熱接合材２５は、中空円盤型（ドーナツ型）形状をしているが、各部材間を熱的に接合可能な限り、層間熱接合材の平面形状は特に限定されず、陽子ビームや中性子ビームの軌跡と重なる様に存在していてもよい。グラファイトシートは、化学的に安定であり、陽子ビームや中性子ビームの軌跡と重なっても、これらビームに悪影響を及ぼす事はなく、またグラファイトシートが放射化することもない。
　前記ターゲットモジュール７０において、中性子生成金属部材１０としてはベリリウムが使用できる。プロトン吸収性金属基板３０としては、バナジウム、ニオブ、タンタルなどの１種又は２種以上が使用できる。ヒートシンク部材４０としては、アルミニウム、チタンなどの１種又は２種以上が使用できる。
　本願は、２０１４年１２月４日に出願された日本国特許出願第２０１４－２４６１２９号に基づく優先権の利益を主張するものである。２０１４年１２月４日に出願された日本国特許出願第２０１４－２４６１２９号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。
　以下実施例を示し、本発明の実施形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明はこれら実施例によって限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
（物性評価方法）
　＜膜厚＞
　原料である高分子フィルム、グラファイトシートの厚さは、プラス、マイナス５～１０％程度の誤差がある。そのため得られたフィルム、シートの１０点平均の厚さを本発明における試料の厚さとした。
　＜密度＞
　作製したグラファイトの密度は、ヘリウムガス置換式密度計［ＡｃｃｕＰｙｃ　ＩＩ　１３４０島津製作所（株）］によりグラファイトシートの体積を測定し、質量を別途測定し、密度（ｇ／ｃｍ3）＝質量（ｇ）／体積（ｃｍ3）の式から算出した。なお、この方法で厚さ２００ｎｍ以下のグラファイトシートの密度測定は誤差が大きすぎて不可能であった。そのため、２００ｎｍ以下の厚さのグラファイトシートの熱拡散率から熱伝導率を計算する場合には、その密度として２．１を仮定して計算した。
　＜熱伝導率＞
　グラファイトシートの熱拡散率は、周期加熱法による熱拡散率測定装置（アルバック理工（株）「ＬａｓｅｒＰｉｔ」装置）を用いて、２５℃、真空下（１０-2Ｐａ程度）、１０Ｈｚの周波数を用いて測定した。これはレーザー加熱の点から一定距離だけ離れた点に熱電対を取り付け、その温度変化を測定する方法である。ここで熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）は、熱拡散率（ｍ2／ｓ）と密度（ｋｇ／ｍ3）と比熱（７９８ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））を掛け合わせることによって算出した。ただし、この装置ではグラファイトシートの厚さが１μｍ以上の場合は熱拡散率の測定が可能であったが、グラファイトシートの厚さが１μｍ以下の場合では測定誤差が大きくなりすぎて正確な測定は不可能であった。
　そこで第二の測定方法として、周期加熱放射測温法（（株）ＢＥＴＨＥＬ製サーモアナライザーＴＡ３）を用いて測定をおこなった。これは周期加熱をレーザーで行い、温度測定を放射温度計で行う装置であり、測定時にグラファイトシートとは完全に非接触であるため、グラファイトシートの厚さ１μｍ以下の試料でも測定が可能である。両装置の測定値の信頼性を確認するために、幾つかの試料については両方の装置で測定を行い、それらの数値が一致する事を確認した。
　ＢＥＴＨＥＬ社の装置では周期加熱の周波数を最高８００Ｈｚまでの範囲で変化させる事ができる。すなわち、この装置の特徴は通常熱電対で接触的に行われる温度の測定が放射温度計により行われ、測定周波数を可変できる点である。原理的に周波数を変えても一定の熱拡散率が測定されるはずなので、本装置を用いた計測では周波数を変えてその測定を行った。１μｍ以下の厚さの試料の測定を行った場合は、１０Ｈｚや２０Ｈｚの測定においては測定値がばらつく事が多かったが、７０Ｈｚから８００Ｈｚの測定では、その測定値はほぼ一定になった。そこで、周波数に寄らず一定の値を示した数値（７０Ｈｚ～８００Ｈｚでの値）を用いて熱拡散率とした。
　（製造例１～１８）
　ピロメリット酸無水物と４,４’－ジアミノジフェニルエーテルをモル比で１／１の割合で合成したポリアミド酸の１８ｗｔ％のＤＭＦ溶液１００ｇに無水酢酸２０ｇとイソキノリン１０ｇからなる硬化剤を混合、攪拌し、遠心分離による脱泡の後、アルミ箔上に流延塗布した。攪拌から脱泡までは０℃に冷却しながら行った。このアルミ箔とポリアミド酸溶液の積層体を１２０℃で１５０秒間、３００℃、４００℃、５００℃で各３０秒間加熱した後、アルミ箔を除去し厚みの異なるポリイミドフィルム（高分子試料Ａ）を作製した。また試料Ａと同様にしてピロメリット酸無水物とｐ－フェニレンジアミンを原料に用いてポリイミドフィルム（高分子試料Ｂ）を作製し、３，３’，４，４’－ビフェニルテトラカルボン酸二無水物とｐ－フェニレンジアミンを原料に用いてポリイミドフィルム（高分子試料Ｃ）を作製した。ポリイミドフィルムの厚みに関しては、キャストする速度などを調整することにより、１８μｍから１００ｎｍの範囲の厚さの異なる何種類かのフィルムを作製した。
　厚み１８μｍ～１００ｎｍの範囲にある８種類のポリイミドフィルム（高分子試料Ａ）、厚み９．２～１．１μｍの範囲にある３種類のポリイミドフィルム（高分子試料Ｂ）、及び厚み７．５～１．０μｍの範囲にある３種類のポリイミドフィルム（高分子試料Ｃ）を、電気炉を用いて窒素ガス中、１０℃／分の速度で１０００℃まで昇温し、１０００℃で１時間保って予備処理した。次に得られた炭素化シートを円筒状のグラファイトヒーターの内部にセットし、２０℃／分の昇温速度で２９００℃、３０００℃、３１００℃又は３２００℃の処理温度（最高温度）まで昇温した。この温度で３０分間又は１２０分間（処理時間）保持し、その後４０℃／分の速度で降温し、グラファイトシートを作製した。処理はアルゴン雰囲気で０．１５ＭＰａの加圧下でおこなった。
　得られたグラファイトシートの厚み（μｍ）、密度（ｇ／ｃｍ3）、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）の値を表１に示した。この表に示した厚さのフィルムではいずれの試料でも２９００℃、３０分間以上の熱処理によって１０００Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１８００Ｗ／ｍＫ以上の優れた熱伝導率を示す事が分かった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　１　ターゲット固定用基板
　１０　中性子生成金属部材
　２０、２５　層間熱接合材
　３０　プロトン吸収性金属基板
　４０　ヒートシンク部材
　６０　中性子発生用積層型ターゲット材料
　７０　中性子発生用ターゲットモジュール

Claims (12)

  1. 　厚さが９．６μｍ以下、５０ｎｍ以上であり、２５℃におけるａ－ｂ面方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする高真空用層間熱接合性グラファイトシート。
  2. 　密度が１．８ｇ／ｃｍ3以上である請求項１に記載の高真空用層間熱接合性グラファイトシート。
  3. 　前記グラファイトシートが高分子フィルムを２９００℃以上の温度で熱処理して得られるものである請求項１又は２に記載の高真空用層間熱接合性グラファイトシート。
  4. 　前記高分子フィルムが、ポリアミド、ポリイミド、ポリキノキサリン、ポリオキサジアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリキナゾリンジオン、ポリベンゾオキサジノン、ポリキナゾロン、ベンズイミダゾベンゾフェナントロリンラダーポリマーおよびこれらの誘導体から選択される少なくとも一種である請求項３に記載の高真空用層間熱接合性グラファイトシート。
  5. 　前記高分子フィルムが芳香族ポリイミドである請求項３に記載の高真空用層間熱接合性グラファイトシート。
  6. 　前記芳香族ポリイミドが、ピロメリット酸無水物、３，３’，４，４’－ビフェニルテトラカルボン酸二無水物のいずれか、または両方を原料に用いて得られるポリイミドである請求項５に記載の高真空用層間熱接合性グラファイトシート。
  7. 　前記芳香族ポリイミドが、４，４’－ジアミノジフェニルエーテル、ｐ－フェニレンジアミンのいずれか、または両方を原料に用いて得られるポリイミドである請求項５又は６に記載の高真空用層間熱接合性グラファイトシート。
  8. 　請求項１～７のいずれかに記載の高真空用層間熱接合性グラファイトシートから作製される高真空用グラファイト基板材料。
  9. 　請求項１～７のいずれかに記載の高真空用層間熱接合性グラファイトシートから作製される高真空用ターゲット基板材料。
  10. 　中性子生成金属部材とプロトン吸収性金属基板とが積層されており、これら中性子生成金属部材とプロトン吸収性金属基板との間に請求項１～７のいずれかに記載の高真空用層間熱接合性グラファイトシートが介挿されている中性子発生用積層型ターゲット材料。
  11. 　中性子生成金属部材とプロトン吸収性金属基板とヒートシンク部材とがこの順で積層されており、中性子生成金属部材とプロトン吸収性金属基板との間、及びプロトン吸収性金属基板とヒートシンク部材との間に請求項１～７のいずれかに記載の高真空用層間熱接合性グラファイトシートが挿入されている中性子発生用ターゲットモジュール。
  12. 　前記中性子生成金属部材がベリリウムターゲットであり、プロトン吸収性金属基板がバナジウム、ニオブ、及びタンタルから選ばれる少なくとも１種の材料で形成されており、前記ヒートシンク部材がアルミニウム及びチタンから選ばれる少なくとも１種の材料で形成されている請求項１１に記載の中性子発生用ターゲットモジュール。
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