WO2017187938A1 - 銅多孔質体、銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法 - Google Patents

銅多孔質体、銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法 Download PDF

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copper porous
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喜多　晃一
俊彦 幸
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Definitions

  • the present invention relates to a copper porous body made of copper or a copper alloy, a copper porous composite member obtained by bonding the copper porous body to a member body, a method for producing a copper porous body, and a copper porous composite.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a member.
  • Patent Document 1 as a method for producing a metal sintered body (copper porous sintered body) forming a three-dimensional network structure, a three-dimensional network structure (for example, urethane foam, made of a material that is burned down by heating) is disclosed. Polyethylene foam, synthetic resin foam with continuous cells, natural fiber cloth, man-made fiber cloth, etc.). And a method of using a sheet-like molded body in which a metal powder is formed on a material (for example, pulp or wool fiber) that can form a three-dimensional network structure.
  • Patent Document 2 discloses a method of obtaining a porous material by conducting current heating under pressure on copper fibers.
  • the present invention has been made against the background as described above, and has sufficient conductivity and thermal conductivity even when the porosity is high, and is particularly suitable as a conductive member and a heat transfer member.
  • An object of the present invention is to provide a copper porous body, a copper porous composite member in which the copper porous body is bonded to a member body, a method for producing a copper porous body, and a method for producing a copper porous composite member .
  • a copper porous body that is one embodiment of the present invention is a copper porous body having a three-dimensional network structure skeleton, and has a porosity of Porosity standardization within a range of 50% to 90% and defined by dividing the conductivity of the copper porous body measured by the four probe method by the apparent density ratio of the copper porous body.
  • the electrical conductivity ⁇ N is characterized by being 20% IACS or more.
  • the conductivity of the copper porous body measured by the four-terminal method is obtained by the copper porous body. Since the porosity normalized conductivity ⁇ N defined by dividing by the apparent density ratio is 20% IACS or more, it has excellent conductivity and is particularly suitable for a conductive member. Moreover, since heat conduction is carried out by free electrons as in the case of electrical conduction, conductivity is secured at the same time as conductivity is secured. Therefore, the copper porous body of the present invention is excellent in thermal conductivity and is particularly suitable for a heat transfer member.
  • a redox layer is formed on the surface of the skeleton.
  • irregularities are formed on the surface and the specific surface area is increased. For example, various properties such as heat exchange efficiency through the porous skeleton surface are greatly improved. It becomes possible to improve. Further, by performing the oxidation-reduction treatment, the porosity normalized conductivity ⁇ N can be further improved.
  • skeleton part is good also as a sintered compact of at least one or both of the copper powder and copper fiber which consist of copper or a copper alloy.
  • a copper porous body having a porosity of 50% or more and 90% or less can be obtained by adjusting the filling rate of copper powder and copper fiber made of copper or copper alloy.
  • the copper fiber has a diameter R in a range of 0.02 mm to 1.0 mm, and a ratio L / R of the length L to the diameter R. Is preferably in the range of 4 or more and 2500 or less.
  • the diameter R of the copper fiber is in the range of 0.02 mm or more and 1.0 mm or less
  • the ratio L / R of the length L to the diameter R is in the range of 4 or more and 2500 or less.
  • Sufficient voids are secured between the fibers, the shrinkage rate during sintering can be suppressed, the porosity can be increased, and the dimensional accuracy is excellent.
  • the copper porous body which is one aspect of the present invention, at least one or both of the copper powder and the copper fiber are bonded integrally with the redox layers formed on the surfaces thereof. It is preferable. In this case, since the redox layers are integrally bonded to each other in at least one or both of the copper powder and the copper fiber, the bonding strength is excellent. Moreover, copper fiber and copper powder will be couple
  • the copper porous composite member which is one embodiment of the present invention is characterized by comprising a joined body of a member main body and the above-mentioned copper porous body. According to the copper porous composite member having this configuration, since it is a joined body of the copper porous body and the member main body excellent in conductivity and thermal conductivity, the copper porous composite member has excellent conductivity. And can exhibit thermal conductivity.
  • the bonding surface of the member main body with the copper porous body is made of copper or a copper alloy, and the copper porous body and the member main body It is preferable that the joining part is a sintered layer.
  • the joining portion between the copper porous body and the member main body is a sintered layer, the copper porous body and the member main body are firmly joined, and the copper porous composite Excellent strength, conductivity, thermal conductivity, etc. can be obtained as a member.
  • the method for producing a copper porous body according to one aspect of the present invention is a method for producing a copper porous body for producing the above-mentioned copper porous body, and is a method for oxidizing a skeleton part having a three-dimensional network structure. Oxidation treatment is performed at a holding temperature of 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower in an atmosphere, and reduction treatment is performed at a holding temperature of 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower in a reducing atmosphere, whereby the porosity normalized conductivity ⁇ N is 20 % IACS or more.
  • the skeletal portion of the three-dimensional network structure is subjected to oxidation treatment and reduction treatment under the above-described conditions, thereby improving conductivity and standardizing porosity.
  • the conductivity ⁇ N can be set to 20% IACS or more.
  • the manufacturing method of the copper porous body which is 1 aspect of this invention is a manufacturing method of the copper porous body which manufactures the above-mentioned copper porous body, Comprising: At least one or both of the said copper powder and the said copper fiber Of the copper powder and the copper fiber by performing an oxidation treatment under a condition of a holding temperature of 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower in an oxidizing atmosphere and a reducing treatment under a condition of a holding temperature of 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower in a reducing atmosphere
  • the skeleton is formed of at least one or both of the sintered bodies, and the porosity normalized conductivity ⁇ N is 20% IACS or more.
  • the method for producing a copper porous body having this configuration at least one or both of the copper powder and the copper fiber are subjected to an oxidation treatment and a reduction treatment under the above-described conditions.
  • the skeleton portion made of at least one or both of the sintered bodies can be formed, and a copper porous body made of the sintered body can be obtained.
  • the conductivity can be improved, and the porosity normalized conductivity ⁇ N can be set to 20% IACS or more.
  • the method for producing a copper porous composite member according to one aspect of the present invention is a method for producing a copper porous composite member for producing a copper porous composite member comprising a joined body of a member main body and a copper porous body, It has the joining process which joins the copper porous body manufactured by the manufacturing method of the above-mentioned copper porous body, and the said member main body, It is characterized by the above-mentioned.
  • the copper porous body manufactured by the above-described manufacturing method of the copper porous body is provided, and the copper porous having excellent conductivity and thermal conductivity.
  • a composite member can be manufactured.
  • a shape of a member main body a board, a rod, a pipe
  • a bonding surface to which the copper porous body is bonded in the member main body is made of copper or a copper alloy
  • the copper porous body and the member main body are preferably joined by sintering.
  • the member main body and the copper porous body can be integrated by sintering, and a copper porous composite member having excellent characteristic stability can be manufactured.
  • the copper porous body has sufficient conductivity and thermal conductivity and is particularly suitable as a conductive member and a heat transfer member, and the copper porous body is a member.
  • a copper porous composite member bonded to a main body, a method for producing a copper porous body, and a method for producing a copper porous composite member can be provided.
  • the copper porous body 10 which is 1st embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIGS. 1-3.
  • the copper porous body 10 which is this embodiment has the frame
  • the copper fiber 11 is made of copper or a copper alloy, the diameter R is in the range of 0.02 mm or more and 1.0 mm or less, and the ratio L / R of the length L to the diameter R is 4 or more and 2500. Within the following range.
  • the copper fiber 11 is comprised by C1020 (oxygen-free copper), for example.
  • the copper fiber 11 is given a shape such as twisting or bending.
  • the apparent density ratio D A is less 51% of the true density D T of the copper fibers 11.
  • a void shape between fibers can be formed sterically and isotropically. This leads to an improvement in the isotropy of various characteristics such as heat transfer characteristics and conductivity.
  • the copper fiber 11 is adjusted to a predetermined circle-equivalent diameter R by a drawing method, a coil cutting method, a wire cutting method, a melt spinning method, and the length is further adjusted to satisfy a predetermined L / R. Then, it is manufactured by cutting.
  • the circle-converted diameter R is a value calculated based on the cross-sectional area A of each fiber, and is defined by the following equation assuming that it is a perfect circle regardless of the cross-sectional shape.
  • R (A / ⁇ ) 1/2 ⁇ 2
  • the oxidation reduction layer is formed in the surface of the frame
  • the redox layers formed on each other are bonded together.
  • the redox layer has a porous structure, and has fine irregularities on the surface of the skeleton 12 (copper fibers 11).
  • the specific surface area of the whole copper porous body 10 shall be 0.01 m ⁇ 2 > / g or more.
  • the specific surface area of the entire copper porous body 10 is preferably 0.03 m 2 / g or more, but is not limited thereto.
  • the porosity P shall be in the range of 50% or more and 90% or less, and the electrical conductivity ⁇ P of the copper porous body 10 measured by the four-terminal method, copper porous body 10 porosity standards influencing for good conductivity, which is defined by dividing the apparent density ratio D a of ⁇ N (% IACS) is a 20% IACS or more.
  • the porosity normalized conductivity ⁇ N is calculated by the following equation, and the apparent density ratio D A and the porosity P are respectively calculated by the following equations.
  • ⁇ N ⁇ P ⁇ (1 / D A )
  • D A m / (V ⁇ D T )
  • P (%) (1 ⁇ (m / (V ⁇ D T ))) ⁇ 100
  • m mass of copper porous body 10 (g)
  • V volume of copper porous body 10 (cm 3 )
  • D T true density of copper fibers 11 constituting copper porous body 10 (g / cm 3 )
  • the porosity P is preferably in the range of 70% to 90%, but is not limited thereto.
  • the manufacturing method of the copper porous body 10 which is this embodiment is demonstrated with reference to the flowchart of FIG. 2, the process drawing of FIG.
  • a bulk density D P after filling is stacked a plurality of copper fibers 11 to be equal to or less than 50% of the true density D T of the copper fibers 11.
  • shape provision processing such as a twist process and a bending process, is given to the copper fiber 11, the three-dimensional and isotropic space
  • oxidation reduction treatment step S02 oxidation reduction treatment step S02
  • oxidation reduction treatment step S02 oxidation reduction treatment step S02
  • the stainless steel container 32 filled with the copper fibers 11 is charged into a heating furnace 33 and heated in an oxidizing atmosphere to oxidize the copper fibers 11 (oxidation process step). S21).
  • the conditions of the oxidation treatment step S21 in the present embodiment are that the atmosphere is an air atmosphere (air atmosphere (a)), the holding temperature is 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, the holding time is 5 minutes or longer and 300 minutes or shorter. ing.
  • the holding temperature in the oxidation treatment step S ⁇ b> 21 is set to 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower.
  • the lower limit of the holding temperature in the oxidation treatment step S21 is 600 ° C. or higher and the upper limit of the holding temperature is 1000 ° C. or lower.
  • the holding time in the oxidation treatment step S21 is set within a range of 5 minutes or more and 300 minutes or less.
  • the minimum of the retention time in oxidation treatment process S21 shall be 10 minutes or more.
  • the upper limit of the retention time in oxidation treatment process S21 into 100 minutes or less.
  • the stainless steel container 32 filled with the copper fibers 11 is charged into the heating furnace 34 and heated in a reducing atmosphere. Then, the oxidized copper fibers 11 are reduced to form a redox layer, and the copper fibers 11 are joined together to form the skeleton part 12 (reduction treatment step S22).
  • the conditions of the reduction treatment step S22 in this embodiment are as follows: the atmosphere is a mixed gas atmosphere of argon and hydrogen (Ar + H 2 atmosphere (b)), the holding temperature is 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, the holding time is 5 minutes or longer, and 300 minutes. Within the following range.
  • the holding temperature in the reduction treatment step S ⁇ b> 22 is less than 500 ° C.
  • the oxide layer formed on the surface of the copper fiber 11 may not be sufficiently reduced.
  • the holding temperature in the reduction treatment step S22 exceeds 1050 ° C., it is heated to the vicinity of the melting point of copper, and there is a possibility that the strength and the porosity are lowered.
  • the holding temperature in the reduction treatment step S22 is set to 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower.
  • the lower limit of the holding temperature in the reduction treatment step S22 is preferably set to 600 ° C. or higher.
  • the holding time in the reduction treatment step S22 is set within a range of 5 minutes or more and 300 minutes or less.
  • the lower limit of the holding temperature in the reduction treatment step S22 is preferably set to 10 minutes or more.
  • the upper limit of the holding time in the reduction treatment step S22 is 100 minutes or less.
  • an oxidation reduction layer is formed on the surface of the copper fiber 11 (frame portion 12), and irregularities having a specific microporous structure are generated. That is, the redox layer 12 has a porous structure, and fine irregularities are generated on the surface of the copper fiber 11. Thereby, the specific surface area of the whole copper porous body 20 is 0.01 m ⁇ 2 > / g or more. Moreover, an oxide layer is formed on the surface of the copper fiber 11 by the oxidation treatment step S21, and the plurality of copper fibers 11 are cross-linked by the oxide layer.
  • the oxide layer formed on the surface of the copper fiber 11 is reduced to form the above-described oxidation-reduction layer, and the oxidation-reduction layers are bonded to each other.
  • the fibers 11 are sintered to form the skeleton part 12.
  • the copper fibers 11 and 11 are sintered to form the skeleton portion 12, and a redox layer is formed on the surface of the skeleton portion 12 (copper fiber 11). Furthermore, the above-mentioned porosity normalized conductivity ⁇ N is 20% IACS or more. Thereby, the copper porous body 10 which is this embodiment is manufactured.
  • the porosity P is as high as 50% or more and 90% or less, and the porosity normalized conductivity ⁇ N is 20%. % IACS or more, it is excellent in conductivity and thermal conductivity, and has excellent characteristics as a conductive member and a heat transfer member.
  • the redox layer is formed on the surface of the skeleton part 12
  • the specific surface area is formed by forming irregularities having a microporous structure peculiar to the surface.
  • various characteristics such as heat exchange efficiency through the porous skeleton surface can be greatly improved.
  • the porosity normalized conductivity ⁇ N can be further improved.
  • the redox layers formed on the surfaces of the copper fibers 11 are bonded together in the bonding portion between the copper fibers 11, the bonding strength is excellent.
  • the diameter R is in the range of 0.02 mm or more and 1.0 mm or less, and the ratio L / R of the length L to the diameter R is 4 or more, Since the skeleton part 12 is formed by sintering the copper fiber 11 within the range of 2500 or less, a sufficient gap is secured between the copper fibers 11 and the shrinkage rate during sintering The porosity is high and the dimensional accuracy is excellent.
  • the diameter R is in the range of 0.02 mm to 1.0 mm, and the ratio L / R of the length L to the diameter R is in the range of 4 to 2500.
  • the diameter R of the copper fibers 11 is set in the range of 0.02 mm or more and 1.0 mm or less.
  • the lower limit of the diameter R of the copper fiber 11 is preferably 0.05 mm or more, and the upper limit of the diameter R of the copper fiber 11 is preferably 0.5 mm or less.
  • the ratio L / R of the length L and the diameter R of the copper fibers 11 is set in the range of 4 or more and 2500 or less.
  • the lower limit of the ratio L / R between the length L and the diameter R of the copper fiber 11 is preferably 10 or more.
  • the ratio L / R upper limit of the length L of the copper fiber 11 and the diameter R is 500 or less.
  • the oxidation treatment process S21 which oxidizes the copper fiber 11 and the reduction treatment process S22 which reduces the oxidized copper fiber 11 are provided.
  • a redox layer can be formed on the surface of the copper fiber 11 (skeleton part 12).
  • the porosity normalized conductivity ⁇ N can be set to 20% IACS or more by the oxidation treatment step S21 and the reduction treatment step S22.
  • the copper porous composite member 100 includes a copper plate 120 (member main body) made of copper or a copper alloy, and a copper porous body 110 bonded to the surface of the copper plate 120.
  • the copper porous body 110 has a skeleton formed by sintering a plurality of copper fibers, as in the first embodiment.
  • the copper fiber is made of copper or a copper alloy
  • the diameter R is in the range of 0.02 mm to 1.0 mm
  • the ratio L / R of the length L to the diameter R is 4 or more and 2500 or less. It is within the range.
  • the copper fiber is made of, for example, C1020 (oxygen-free copper).
  • the copper fiber is given a shape such as twisting or bending.
  • the apparent density ratio D A is less 51% of the true density D T of copper fibers.
  • a redox layer is formed by performing redox treatment (oxidation treatment and reduction treatment) on the surfaces of the copper fibers (skeleton part) and the copper plate 120 constituting the copper porous body 110 as described later.
  • redox treatment oxidation treatment and reduction treatment
  • fine irregularities are formed on the surfaces of the copper fibers (skeleton part) and the copper plate 120.
  • the specific surface area of the entire copper porous body 110 is set to 0.01 m 2 / g or more.
  • the specific surface area of the entire copper porous body 110 is preferably 0.03 m 2 / g or more, but is not limited thereto.
  • the oxidation reduction layer formed in the surface of the copper fiber and the oxidation reduction layer formed in the surface of the copper plate are united. Are connected.
  • the porosity P shall be in the range of 50% or more and 90% or less, and the electrical conductivity (sigma) P of the copper porous body 110 measured by the 4 terminal method is set.
  • the porosity P is preferably in the range of 70% to 90%, but is not limited thereto.
  • the copper plate 120 which is a member main body is prepared (copper plate arrangement
  • copper fibers are dispersed and arranged on the surface of the copper plate 120 (copper fiber lamination step S101).
  • bulk density D P is stacked a plurality of copper fibers to be equal to or less than 50% of the true density D T of copper fibers.
  • the copper fibers stacked and arranged on the surface of the copper plate 120 are sintered to form the copper porous body 110, and the copper porous body 110 and the copper plate 120 are bonded (sintering step S102 and joining step S103). ).
  • the oxidation treatment step S121 for performing the oxidation treatment of the copper fiber and the copper plate 120 and the oxidized copper fiber and the copper plate 120 are reduced and sintered.
  • the copper plate 120 on which the copper fibers are laminated is placed in a heating furnace and heated in an oxidizing atmosphere to oxidize the copper fibers (oxidation treatment step S121).
  • oxidation treatment step S121 an oxide layer having a thickness of 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less is formed on the surfaces of the copper fiber and the copper plate 120, for example.
  • the conditions of the oxidation treatment step S121 in the present embodiment are that the holding temperature is 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, desirably 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, and the holding time is 5 minutes or longer and 300 minutes or shorter, preferably 10 It is within the range of not less than 100 minutes and not more than 100 minutes.
  • the copper plate 120 on which the copper fibers are laminated is placed in a firing furnace, heated in a reducing atmosphere, and oxidized copper fibers and the copper plate 120.
  • the copper fiber and the copper plate 120 are combined with each other (reduction process step S122).
  • the conditions of the reduction treatment step S122 in this embodiment are that the atmosphere is a mixed gas atmosphere of nitrogen and hydrogen, the holding temperature is 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, desirably 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, and the holding time is 5 Min. To 300 min., Preferably 10 min. To 100 min.
  • a redox layer is formed on the surfaces of the copper fibers (skeleton part) and the copper plate 120, and fine irregularities are generated.
  • an oxide layer is formed on the surfaces of the copper fibers (skeleton) and the copper plate 120 by the oxidation treatment step S121, and the plurality of copper fibers and the copper plate 120 are cross-linked by the oxide layer.
  • the reduction treatment step S122 the copper fiber (skeleton part) and the oxide layer formed on the surface of the copper plate 120 are reduced, and the copper fibers are sintered through the oxidation-reduction layer, so that the skeleton part is formed.
  • the copper porous body 110 and the copper plate 120 are bonded.
  • the porosity normalized conductivity ⁇ N of the copper porous body 110 is 20% IACS or more.
  • the copper porous composite member 100 according to the present embodiment is manufactured by the manufacturing method as described above.
  • the porosity normalized conductivity ⁇ N of the copper porous body 110 is 20% IACS or more.
  • the conductivity and thermal conductivity of the entire copper porous composite member 100 can be improved.
  • an oxidation-reduction layer is formed on the surfaces of the copper fibers and the copper plate 120 constituting the copper porous body 110, and the specific surface area of the entire copper porous body 110 is 0.01 m 2 / g or more.
  • the porosity P is in the range of 50% or more and 90% or less, and it is possible to greatly improve various characteristics such as heat exchange efficiency and water retention.
  • the copper fibers are stacked on the surface of the copper plate 120 made of copper and a copper alloy, and the sintering step S102 and the joining step S103 are simultaneously performed. Therefore, the manufacturing process can be simplified.
  • the porosity normalized conductivity ⁇ N can be set to 20% IACS or more.
  • this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
  • this invention is not limited to this, Even if it manufactures a copper porous body using another manufacturing equipment Good.
  • the atmosphere of the oxidation treatment steps S21 and S121 may be an oxidation atmosphere in which copper or a copper alloy is oxidized at a predetermined temperature. Specifically, the atmosphere is not limited to the atmosphere, but is 0. Any atmosphere containing 5 vol% or more of oxygen may be used. Also, the atmosphere of the reduction treatment steps S22 and S122 may be any reducing atmosphere in which copper oxide is reduced to metallic copper or copper oxide is decomposed at a predetermined temperature. Specifically, hydrogen of several vol% or more is used. A nitrogen-hydrogen mixed gas, an argon-hydrogen mixed gas, a pure hydrogen gas, or an ammonia decomposition gas or a propane decomposition gas often used industrially can also be suitably used.
  • skeleton part of a copper porous body by sintering copper fiber it is not limited to this,
  • copper such as a fiber nonwoven fabric and a metal filter A porous body is prepared, and the copper porous body is subjected to an oxidation treatment in an oxidizing atmosphere under a holding temperature of 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, and in a reducing atmosphere under a holding temperature of 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower.
  • the porosity normalized conductivity ⁇ N may be set to 20% IACS or more.
  • copper fibers made of oxygen-free copper (JIS C1020), phosphorus deoxidized copper (JIS C1201, C1220), tough pitch copper (JIS C1100), and the like are used, but the present invention is not limited thereto.
  • a highly conductive copper alloy such as other Cr copper (C18200) or Cr—Zr copper (C18150) may be used.
  • copper fiber was used, you may use both copper powder, copper fiber, and copper powder.
  • the average particle diameter of the copper powder is preferably 0.005 mm or more and 0.3 mm or less, more preferably 0.01 mm or more and 0.1 mm or less, but is not limited thereto.
  • the copper porous composite member having the structure shown in FIG. 4 has been described as an example.
  • the present invention is not limited to this, and the copper having the structure as shown in FIGS. It may be a porous composite member.
  • the joining method in which the sintered layer which consists of a redox layer is formed in the junction part of a copper porous body and a member main body was illustrated as a desirable method, it is limited to this.
  • the porosity normalized conductivity ⁇ N of the copper porous body is 20% IACS or higher even in various welding methods (laser welding method, resistance welding method) and the joining method by brazing using a brazing material that melts at a low temperature It only has to be.
  • a copper porous composite member 200 having a structure in which a plurality of copper tubes 220 are inserted into a copper porous body 210 as a member main body may be used.
  • a copper porous composite member 300 having a structure in which a copper tube 320 curved in a U shape as a member main body is inserted into a copper porous body 310 may be used.
  • the copper porous composite member 400 of the structure which joined the copper porous body 410 to the internal peripheral surface of the copper pipe 420 which is a member main body may be sufficient.
  • the copper porous composite member 500 of the structure which joined the copper porous body 510 to the outer peripheral surface of the copper tube 520 which is a member main body may be sufficient.
  • a copper porous composite member 600 having a structure in which a copper porous body 610 is bonded to the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of a copper tube 620 that is a member main body may be used.
  • the copper porous composite member 700 of the structure which joined the copper porous body 710 to both surfaces of the copper plate 720 which is a member main body may be sufficient.
  • Example 1 Various porous bodies manufactured by the materials and manufacturing methods shown in Table 1 were prepared. First, the porosity before heat treatment and the porosity normalized conductivity were measured. Thereafter, oxidation treatment and reduction treatment were performed under the conditions described in Table 1, and the porosity and porosity normalized conductivity after the oxidation treatment and reduction treatment were measured. In addition, the porosity and the porosity normalized conductivity were measured as follows. The evaluation results are shown in Table 1.
  • Porosity The true density D T (g / cm 3 ) was measured by an underwater method using a precision balance, and the porosity P was calculated by the following equation.
  • the mass of the copper porous body was m (g), and the volume of the copper porous body was V (cm 3 ).
  • Porosity P (%) (1 ⁇ (m / (V ⁇ D T ))) ⁇ 100
  • Example 2 Using the copper powder shown in Table 2, oxidation-reduction treatment was performed under the conditions shown in Table 2 to produce a copper porous body. About the obtained copper porous body, the porosity and the porosity normalized electrical conductivity were measured. In addition, although the porosity and the porosity normalized conductivity were measured by the same method as in Example 1, in Example 2, DT when calculating the porosity normalized conductivity was set to be copper porous. It was set as the true density (g / cm ⁇ 3 >) of the copper powder which comprises a mass. The evaluation results are shown in Table 2.
  • Example 3 Using the copper fibers shown in Table 3, oxidation-reduction treatment was performed under the conditions shown in Table 3 to produce a copper porous body. In addition, the fiber diameter R and the fiber length L of the copper fiber were measured by the following methods.
  • Fiber length L As the fiber length L (mm) of the copper fiber, a simple average value calculated by image analysis using a particle analyzer “Morphology G3” manufactured by Malvern Co., Ltd. was used.
  • the porosity and the porosity normalized electrical conductivity were measured.
  • the porosity and the porosity normalized conductivity were measured by the same method as in Example 1, in Example 3, DT when calculating the porosity normalized conductivity was copper porous. It was set as the true density (g / cm ⁇ 3 >) of the copper fiber which comprises a body. The evaluation results are shown in Table 3.
  • the copper porous body is suitable as a conductive member and a heat transfer member.

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Abstract

本発明の銅多孔質体は、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体であって、気孔率が５０％以上９０％以下の範囲内とされ、４端子法によって測定された前記銅多孔質体の導電率を、前記銅多孔質体の見掛け密度比で除することによって規定される気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上とされていることを特徴とする。

Description

銅多孔質体、銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法
　本発明は、銅又は銅合金からなる銅多孔質体、及び、この銅多孔質体が部材本体に接合されてなる銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法に関する。
　本願は、２０１６年４月２７日に、日本に出願された特願２０１６－０８９３５８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　上述の銅多孔質体及び銅多孔質複合部材は、例えば各種電池における電極及び集電体、熱交換器用部材、ヒートパイプ等として使用されている。
　例えば、特許文献１には三次元網目状構造体をなす金属焼結体（銅多孔質焼結体）の製造方法として、加熱により焼失する材質から成る三次元網目状構造体（例えばウレタンフォーム、ポリエチレンフォーム等連続気泡を持つ合成樹脂発泡体、天然繊維クロス、人造繊維クロス等）の骨格に粘着剤を塗布し、金属粉状物を被着した成形体を用いる方法や、加熱により焼失する材質から成り、かつ三次元網目状構造体を形成することができる材料（例えばパルプや羊毛繊維）に金属粉状物を抄き込んだシート状成形体を用いる方法等が開示されている。
　また、特許文献２には、銅繊維を加圧下において通電加熱を行うことにより多孔質材料を得る方法が開示されている。
特開平０８－１４５５９２号公報 特許第３７３５７１２号公報
　ところで、上述の銅多孔質体においては、高い気孔率とオープンセル構造を有することと合わせて、電極及び集電体等の導電部材として用いる場合には優れた導電性が要求され、熱交換器用部材、ヒートパイプ等の伝熱部材として用いる場合には優れた熱伝導性が要求される。
　特許文献１及び特許文献２に記載された銅多孔質体においては、導電性及び熱伝導性について考慮されておらず、特に気孔率が高い場合には、銅粉もしくは銅繊維同士の接合が不十分となり、結果として導電性及び熱伝導性が不十分となるおそれがあった。
　本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、気孔率が高い場合であっても、十分な導電性及び熱伝導性を有し、導電部材及び伝熱部材として特に適した銅多孔質体、この銅多孔質体が部材本体に接合された銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法を提供することを目的としている。
　このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の一態様である銅多孔質体は、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体であって、気孔率が５０％以上９０％以下の範囲内であり、４端子法によって測定された前記銅多孔質体の導電率を、前記銅多孔質体の見掛け密度比で除することによって規定される気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴としている。
　この構成の銅多孔質体によれば、気孔率が５０％以上９０％以下の範囲内と高い場合でも、４端子法によって測定された前記銅多孔質体の導電率を前記銅多孔質体の見掛け密度比で除することによって規定される気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上とされているので、導電性に優れており、導電部材に特に適している。また、熱伝導は、電気伝導と同様に自由電子が担うことから、導電性が確保されると同時に熱伝導性も確保される。よって、本発明の銅多孔質体は、熱伝導性にも優れ、伝熱部材に特に適している。
　ここで、本発明の一態様である銅多孔質体においては、前記骨格部の表面に、酸化還元層が形成されていることが好ましい。
　この場合、前記骨格部の表面に酸化還元層が形成されているので、表面に凹凸が形成されて比表面積が大きくなり、例えば多孔体骨格表面を介した熱交換効率等の各種特性を大幅に向上させることが可能となる。また、酸化還元処理を行うことで、気孔率規格化導電率σＮをさらに向上させることができる。
　また、本発明の一態様である銅多孔質体においては、前記骨格部は、銅又は銅合金からなる銅粉末および銅繊維の少なくとも一方又は両方の焼結体としてもよい。
　この場合、銅又は銅合金からなる銅粉末および銅繊維の充填率を調整することで、気孔率５０％以上９０％以下の範囲内の銅多孔質体を得ることができる。
　さらに、本発明の一態様である銅多孔質体においては、前記銅繊維は、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内であり、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上２５００以下の範囲内であることが好ましい。
　この場合、銅繊維の直径Ｒが０．０２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上２５００以下の範囲内とされているので、銅繊維同士の間に十分な空隙が確保されるとともに、焼結時における収縮率を抑えることができ、気孔率を高くすることが可能となり、さらに寸法精度に優れている。
　また、本発明の一態様である銅多孔質体においては、前記銅粉末および銅繊維の少なくとも一方又は両方の結合部は、互いの表面に形成された酸化還元層同士が一体に結合していることが好ましい。
　この場合、前記銅粉末および銅繊維の少なくとも一方又は両方の結合部において酸化還元層同士が一体に結合していることから、結合強度に優れている。また、銅繊維及び銅粉末同士が強固に結合することになり、導電性、熱伝導性も向上させることができる。
　本発明の一態様である銅多孔質複合部材は、部材本体と、上述の銅多孔質体との接合体からなることを特徴としている。
　この構成の銅多孔質複合部材によれば、導電性及び熱伝導性に優れた銅多孔質体と部材本体との接合体とされていることから、銅多孔質複合部材として、優れた導電性及び熱伝導性を発揮することができる。
　ここで、本発明の一態様である銅多孔質複合部材においては、前記部材本体のうち前記銅多孔質体との接合面が銅又は銅合金で構成され、前記銅多孔質体と前記部材本体との接合部が焼結層であることが好ましい。
　この場合、前記銅多孔質体と前記部材本体との接合部が焼結層とされているので、前記銅多孔質体と前記部材本体とが強固に接合されることになり、銅多孔質複合部材として優れた強度、導電性及び熱伝導性等を得ることができる。
　また、本発明の一態様である銅多孔質体の製造方法は、上述の銅多孔質体を製造する銅多孔質体の製造方法であって、三次元網目構造の骨格部に対して、酸化雰囲気で保持温度５００℃以上１０５０℃以下の条件で酸化処理を行うとともに、還元雰囲気で保持温度５００℃以上１０５０℃以下の条件で還元処理を行うことにより、気孔率規格化導電率σＮを２０％ＩＡＣＳ以上とすることを特徴としている。
　この構成の銅多孔質体の製造方法によれば、三次元網目構造の骨格部に対して、上述の条件で酸化処理及び還元処理を行うことで、導電性を向上させて、気孔率規格化導電率σＮを２０％ＩＡＣＳ以上とすることができる。
　また、本発明の一態様である銅多孔質体の製造方法は、上述の銅多孔質体を製造する銅多孔質体の製造方法であって、前記銅粉末および前記銅繊維の少なくとも一方又は両方を、酸化雰囲気で保持温度５００℃以上１０５０℃以下の条件で酸化処理を行うとともに還元雰囲気で保持温度５００℃以上１０５０℃以下の条件で還元処理を行うことにより、前記銅粉末および前記銅繊維の少なくとも一方又は両方の焼結体からなる前記骨格部を形成するとともに、気孔率規格化導電率σＮを２０％ＩＡＣＳ以上とすることを特徴としている。
　この構成の銅多孔質体の製造方法によれば、前記銅粉末および前記銅繊維の少なくとも一方又は両方を、上述の条件で酸化処理及び還元処理を行うことで、前記銅粉末および前記銅繊維の少なくとも一方又は両方の焼結体からなる前記骨格部を形成することができ、前記焼結体からなる銅多孔質体を得ることができる。また、導電性を向上させて、気孔率規格化導電率σＮを２０％ＩＡＣＳ以上とすることができる。
　本発明の一態様である銅多孔質複合部材の製造方法は、部材本体と銅多孔質体との接合体からなる銅多孔質複合部材を製造する銅多孔質複合部材の製造方法であって、上述の銅多孔質体の製造方法によって製造された銅多孔質体と、前記部材本体とを接合する接合工程を備えていることを特徴とする。
　この構成の銅多孔質複合部材の製造方法によれば、上述の銅多孔質体の製造方法によって製造された銅多孔質体を備えることになり、導電性及び熱伝導性に優れた銅多孔質複合部材を製造することが可能となる。なお、部材本体の形状としては、例えば、板、棒、管等が挙げられる。
　ここで、本発明の一態様である銅多孔質複合部材の製造方法においては、前記部材本体のうち前記銅多孔質体が接合される接合面は、銅又は銅合金で構成されており、前記銅多孔質体と前記部材本体とを焼結によって接合することが好ましい。
　この場合、前記部材本体と前記銅多孔質体とを焼結によって一体化することができ、特性の安定性に優れた銅多孔質複合部材を製造することが可能となる。
　本発明によれば、気孔率が高い場合であっても、十分な導電性及び熱伝導性を有し、導電部材及び伝熱部材として特に適した銅多孔質体、この銅多孔質体が部材本体に接合された銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法を提供することができる。
本発明の第一の実施形態である銅多孔質体の拡大模式図である。 図１に示す銅多孔質体の製造方法の一例を示すフロー図である。 図１に示す銅多孔質体を製造する製造工程を示す説明図である。 本発明の第二の実施形態である銅多孔質複合部材の外観説明図である。 図４に示す銅多孔質複合部材の製造方法の一例を示すフロー図である。 本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。 本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。 本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。 本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。 本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。 本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。
　以下に、本発明の実施形態である銅多孔質体、銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法について、添付した図面を参照して説明する。
（第一の実施形態）
　まず、本発明の第一の実施形態である銅多孔質体１０について、図１から図３を参照して説明する。
　本実施形態である銅多孔質体１０は、図１に示すように、複数の銅繊維１１が焼結された骨格部１２を有している。
　ここで、銅繊維１１は、銅又は銅合金からなり、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされている。本実施形態では、銅繊維１１は、例えばＣ１０２０（無酸素銅）で構成されている。
　なお、本実施形態では、銅繊維１１には、ねじりや曲げ等の形状付与が施されている。また、本実施形態である銅多孔質体１０においては、その見掛け密度比ＤＡが銅繊維１１の真密度ＤＴの５１％以下とされている。銅繊維１１の形状については、前記見掛け密度比ＤＡが銅繊維１１の真密度ＤＴの５１％以下となる限りにおいて、直線状、曲線状など任意であるが、銅繊維１１の少なくとも一部に、ねじり加工や曲げ加工等により所定の形状付与加工をされたものを用いると、繊維同士の間の空隙形状を立体的かつ等方的に形成させることができ、その結果、銅多孔質体１０の伝熱特性及び導電性等の各種特性の等方性向上に繋がる。
　なお、銅繊維１１は、引き抜き法、コイル切削法、ワイヤ切削法、溶融紡糸法などにより、所定の円換算径Ｒに調整され、これをさらに所定のＬ／Ｒを満たすように長さを調整して切断することにより、製造される。
　ここで、円換算径Ｒとは、各繊維の断面積Ａを元に算出される値であり、断面形状に関わらず真円であると仮定し、以下の式により定義される。
　　　Ｒ＝（Ａ／π）１／２×２
　また、本実施形態である銅多孔質体１０においては、骨格部１２（銅繊維１１）の表面に酸化還元層が形成されており、銅繊維１１、１１同士の結合部においては、互いの表面に形成された酸化還元層同士が一体に結合している。
　なお、この酸化還元層は、ポーラスな構造とされており、骨格部１２（銅繊維１１）の表面に微細な凹凸を生じさせている。これにより、銅多孔質体１０全体の比表面積が０．０１ｍ２／ｇ以上とされている。銅多孔質体１０全体の比表面積は、０．０３ｍ２／ｇ以上であることが好ましいが、これに限定されることはない。
　そして、本実施形態である銅多孔質体１０においては、気孔率Ｐが５０％以上９０％以下の範囲内とされ、４端子法によって測定された銅多孔質体１０の導電率σＰを、銅多孔質体１０の見掛け密度比ＤＡで除することによって規定される気孔率規格化導電率σＮ（％ＩＡＣＳ）が２０％ＩＡＣＳ以上とされている。なお、気孔率規格化導電率σＮは、見掛け密度比ＤＡ、気孔率Ｐは、それぞれ以下の式で算出される。
　　σＮ＝σＰ×（１／ＤＡ）
　　ＤＡ＝ｍ／（Ｖ×ＤＴ）
　　Ｐ（％）＝（１－（ｍ／（Ｖ×ＤＴ）））×１００
　ここで、ｍ：銅多孔質体１０の質量（ｇ）、Ｖ：銅多孔質体１０の体積（ｃｍ３）、ＤＴ：銅多孔質体１０を構成する銅繊維１１の真密度（ｇ／ｃｍ３）
　気孔率Ｐは７０％以上９０％以下の範囲内であることが好ましいが、これに限定されることはない。
　次に、本実施形態である銅多孔質体１０の製造方法について、図２のフロー図及び図３の工程図等を参照して説明する。
　まず、図３に示すように、銅繊維１１を、散布機３１からステンレス製容器３２内に向けて散布して嵩充填し、銅繊維１１を積層する（銅繊維積層工程Ｓ０１）。
　ここで、この銅繊維積層工程Ｓ０１では、充填後の嵩密度ＤＰが銅繊維１１の真密度ＤＴの５０％以下となるように複数の銅繊維１１を積層配置する。なお、本実施形態では、銅繊維１１にねじり加工や曲げ加工等の形状付与加工が施されているので、積層時に銅繊維１１同士の間に立体的かつ等方的な空隙が確保される。
　次に、ステンレス製容器３２内に嵩充填された銅繊維１１を酸化還元処理する（酸化還元処理工程Ｓ０２）。
　この酸化還元処理工程Ｓ０２においては、図２及び図３に示すように、銅繊維１１の酸化処理を行う酸化処理工程Ｓ２１と、酸化処理された銅繊維１１を還元して焼結する還元処理工程Ｓ２２と、を備えている。
　本実施形態では、図３に示すように、銅繊維１１が充填されたステンレス製容器３２を加熱炉３３内に装入し、酸化雰囲気で加熱して銅繊維１１を酸化処理する（酸化処理工程Ｓ２１）。この酸化処理工程Ｓ２１により、銅繊維１１の表面に、例えば厚さ１μｍ以上、１００μｍ以下の酸化物層が形成される。
　本実施形態における酸化処理工程Ｓ２１の条件は、雰囲気が大気雰囲気（大気雰囲気（ａ））、保持温度が５００℃以上、１０５０℃以下、保持時間が５分以上、３００分以下の範囲内とされている。
　ここで、酸化処理工程Ｓ２１における保持温度が５００℃未満の場合には、銅繊維１１の表面に酸化物層が十分に形成されないおそれがある。一方、酸化処理工程Ｓ２１における保持温度が１０５０℃を超える場合には、銅繊維１１の内部にまで酸化が進行してしまうおそれがある。
　以上のことから、本実施形態においては、酸化処理工程Ｓ２１における保持温度を５００℃以上、１０５０℃以下に設定している。なお、銅繊維１１の表面に酸化物層を確実に形成するためには、酸化処理工程Ｓ２１における保持温度の下限を６００℃以上、保持温度の上限を１０００℃以下、とすることが好ましい。
　また、酸化処理工程Ｓ２１における保持時間が５分未満の場合には、銅繊維１１の表面に酸化物層が十分に形成されないおそれがある。一方、酸化処理工程Ｓ２１における保持時間が３００分を超える場合には、銅繊維１１の内部にまで酸化が進行してしまうおそれがある。
　以上のことから、本実施形態においては、酸化処理工程Ｓ２１における保持時間を５分以上、３００分以下の範囲内に設定している。なお、銅繊維１１の表面に酸化物層を確実に形成するためには、酸化処理工程Ｓ２１における保持時間の下限を１０分以上とすることが好ましい。また、銅繊維１１の内部にまで酸化することを確実に抑制するためには、酸化処理工程Ｓ２１における保持時間の上限を１００分以下とすることが好ましい。
　次に、本実施形態では、図３に示すように、酸化処理工程Ｓ２１を実施した後、銅繊維１１が充填されたステンレス製容器３２を加熱炉３４内に装入し、還元雰囲気で加熱して、酸化された銅繊維１１を還元処理して酸化還元層を形成するとともに、銅繊維１１同士を結合して骨格部１２を形成する（還元処理工程Ｓ２２）。
　本実施形態における還元処理工程Ｓ２２の条件は、雰囲気がアルゴンと水素の混合ガス雰囲気（Ａｒ＋Ｈ２雰囲気（ｂ））、保持温度が５００℃以上、１０５０℃以下、保持時間が５分以上、３００分以下の範囲内とされている。
　ここで、還元処理工程Ｓ２２における保持温度が５００℃未満の場合には、銅繊維１１の表面に形成された酸化物層を十分に還元できないおそれがある。一方、還元処理工程Ｓ２２における保持温度が１０５０℃を超える場合には、銅の融点近傍にまで加熱されることになり、強度及び気孔率の低下がおこるおそれがある。
　以上のことから、本実施形態においては、還元処理工程Ｓ２２における保持温度を５００℃以上、１０５０℃以下に設定している。なお、銅繊維１１の表面に形成された酸化物層を確実に還元するためには、還元処理工程Ｓ２２における保持温度の下限を６００℃以上とすることが好ましい。また、強度及び気孔率の低下を確実に抑制するためには、還元処理工程Ｓ２２における保持温度の上限を１０００℃以下とすることが好ましい。
　また、還元処理工程Ｓ２２における保持時間が５分未満の場合には、銅繊維１１の表面に形成された酸化物層を十分に還元できないおそれがあるとともに、焼結が不十分となるおそれがある。一方、還元処理工程Ｓ２２における保持時間が３００分を超える場合には、焼結による熱収縮が大きくなるとともに強度が低下するおそれがある。
　以上のことから、本実施形態においては、還元処理工程Ｓ２２における保持時間を５分以上、３００分以下の範囲内に設定している。なお、銅繊維１１の表面に形成された酸化物層を確実に還元するとともに焼結を十分に進行させるためには、還元処理工程Ｓ２２における保持温度の下限を１０分以上とすることが好ましい。また、焼結による熱収縮や強度低下を確実に抑制するためには、還元処理工程Ｓ２２における保持時間の上限を１００分以下とすることが好ましい。
　この酸化処理工程Ｓ２１及び還元処理工程Ｓ２２により、銅繊維１１（骨格部１２）の表面には、酸化還元層が形成され、特有の微細多孔構造を有する凹凸が生じる。すなわち、酸化還元層１２はポーラスな構造とされており、銅繊維１１の表面に微細な凹凸を生じさせている。これにより、銅多孔質体２０全体の比表面積が０．０１ｍ２／ｇ以上とされている。
　また、酸化処理工程Ｓ２１によって銅繊維１１の表面に酸化物層が形成され、この酸化物層によって複数の銅繊維１１同士が架橋される。その後、還元処理工程Ｓ２２を行うことで、銅繊維１１の表面に形成された酸化物層が還元されて上述の酸化還元層が形成されるとともに、この酸化還元層同士が結合することにより、銅繊維１１同士が焼結されて骨格部１２が形成される。
　上述の製造方法により、銅繊維１１、１１同士が焼結されて骨格部１２が形成されるとともに、骨格部１２（銅繊維１１）の表面に酸化還元層が形成される。さらに、上述の気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上となる。これにより、本実施形態である銅多孔質体１０が製造される。
　以上のような構成とされた本実施形態である銅多孔質体１０によれば、気孔率Ｐが５０％以上９０％以下の範囲内と高く、かつ、気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上とされているので、導電性及び熱伝導性に優れており、導電部材及び伝熱部材として優れた特性を有する。
　また、本実施形態である銅多孔質体１０によれば、骨格部１２の表面に酸化還元層が形成されているので、表面に特有の微細多孔構造を有する凹凸が形成されることで比表面積が大きくなり、例えば多孔体骨格表面を介した熱交換効率等の各種特性を大幅に向上させることが可能となる。また、酸化還元処理を行うことで、気孔率規格化導電率σＮをさらに向上させることができる。
　さらに、本実施形態では、銅繊維１１同士の結合部において、互いの表面に形成された酸化還元層同士が一体に結合しているので、結合強度に優れている。
　また、本実施形態である銅多孔質体１０によれば、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされた銅繊維１１が焼結されることで骨格部１２が形成されているので、銅繊維１１同士の間に十分な空隙が確保されるとともに、焼結時における収縮率を抑えることができ、気孔率の高く、かつ寸法精度に優れている。
　また、本実施形態においては、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされた銅繊維１１を、嵩密度ＤＰが銅繊維１１の真密度ＤＴの５０％以下となるように積層配置する銅繊維積層工程Ｓ０１を備えているので、銅繊維１１同士の間の空隙を確保することができ、収縮を抑えることが可能となる。これにより、気孔率の高く寸法精度に優れた銅多孔質体１０を製造することができる。
　ここで、銅繊維１１の直径Ｒが０．０２ｍｍ未満の場合には、銅繊維１１同士の接合面積が小さく、焼結強度が不足するおそれがある。一方、銅繊維１１の直径Ｒが１．０ｍｍを超える場合には、銅繊維１１同士が接触する接点の数が不足し、やはり、焼結強度が不足するおそれがある。
　以上のことから、本実施形態では、銅繊維１１の直径Ｒを０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内に設定している。なお、さらなる強度向上を図る場合には、銅繊維１１の直径Ｒの下限を０．０５ｍｍ以上とすることが好ましく、銅繊維１１の直径Ｒの上限を０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。
　また、銅繊維１１の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４未満の場合には、積層配置したときに嵩密度ＤＰを銅繊維１１の真密度ＤＴの５０％以下とすることが難しく、気孔率Ｐの高い銅多孔質体１０を得ることが困難となるおそれがある。一方、銅繊維１１の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが２５００を超える場合には、銅繊維１１を均一に分散させることができなくなり、均一な気孔率を有する銅多孔質体１０を得ることが困難となるおそれがある。
　以上のことから、本実施形態では、銅繊維１１の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒを４以上、２５００以下の範囲内に設定している。なお、さらなる気孔率の向上を図る場合には、銅繊維１１の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒの下限を１０以上とすることが好ましい。また、確実に気孔率Ｐが均一な銅多孔質体１０を得るためには、銅繊維１１の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒ上限を５００以下とすることが好ましい。
　また、本実施形態である銅多孔質体の製造方法によれば、銅繊維１１を酸化させる酸化処理工程Ｓ２１と、酸化された銅繊維１１を還元する還元処理工程Ｓ２２と、を備えているので、銅繊維１１（骨格部１２）の表面に酸化還元層を形成することができる。また、これら酸化処理工程Ｓ２１及び還元処理工程Ｓ２２により、気孔率規格化導電率σＮを２０％ＩＡＣＳ以上とすることができる。
（第二の実施形態）
　次に、本発明の第二の実施形態である銅多孔質複合部材１００について、添付した図面を参照して説明する。
　図４に、本実施形態である銅多孔質複合部材１００を示す。この銅多孔質複合部材１００は、銅又は銅合金からなる銅板１２０（部材本体）と、この銅板１２０の表面に接合された銅多孔質体１１０と、を備えている。
　ここで、本実施形態に係る銅多孔質体１１０は、第一の実施形態と同様に、複数の銅繊維が焼結されて骨格部が形成されている。ここで、銅繊維は、銅又は銅合金からなり、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされている。本実施形態では、銅繊維は、例えばＣ１０２０（無酸素銅）で構成されている。
　なお、本実施形態では、銅繊維には、ねじりや曲げ等の形状付与が施されている。また、本実施形態である銅多孔質体１１０においては、その見掛け密度比ＤＡが銅繊維の真密度ＤＴの５１％以下とされている。
　さらに、本実施形態においては、銅多孔質体１１０を構成する銅繊維（骨格部）及び銅板１２０の表面に、後述するように酸化還元処理（酸化処理及び還元処理）を行うことによって酸化還元層が形成されており、これにより、銅繊維（骨格部）及び銅板１２０の表面に微細な凹凸が生じている。本実施形態では、銅多孔質体１１０全体の比表面積が０．０１ｍ２／ｇ以上とされている。銅多孔質体１１０全体の比表面積は、０．０３ｍ２／ｇ以上であることが好ましいが、これに限定されることはない。
　また、銅多孔質体１１０を構成する銅繊維と銅板１２０の表面との結合部においては、銅繊維の表面に形成された酸化還元層と銅板の表面に形成された酸化還元層とが一体に結合している。
　そして、本実施形態に係る銅多孔質体１１０においては、気孔率Ｐが５０％以上９０％以下の範囲内とされ、４端子法によって測定された銅多孔質体１１０の導電率σＰを、銅多孔質体１１０の見掛け密度比ＤＡで除することによって規定される気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上とされている。
　気孔率Ｐは７０％以上９０％以下の範囲内であることが好ましいが、これに限定されることはない。
　次に、本実施形態である銅多孔質複合部材１００を製造する方法について、図５のフロー図を参照して説明する。
　まず、部材本体である銅板１２０を準備する（銅板配置工程Ｓ１００）。次に、この銅板１２０の表面に銅繊維を分散させて積層配置する（銅繊維積層工程Ｓ１０１）。ここで、この銅繊維積層工程Ｓ１０１では、嵩密度ＤＰが銅繊維の真密度ＤＴの５０％以下となるように複数の銅繊維を積層配置する。
　次に、銅板１２０の表面に積層配置された銅繊維同士を焼結して銅多孔質体１１０を成形するとともに銅多孔質体１１０と銅板１２０とを結合する（焼結工程Ｓ１０２及び接合工程Ｓ１０３）。この焼結工程Ｓ１０２及び接合工程Ｓ１０３においては、図５に示すように、銅繊維及び銅板１２０の酸化処理を行う酸化処理工程Ｓ１２１と、酸化処理された銅繊維及び銅板１２０を還元して焼結する還元処理工程Ｓ１２２と、を備えている。
　本実施形態では、銅繊維が積層配置された銅板１２０を加熱炉内に装入し、酸化雰囲気で加熱して銅繊維を酸化処理する（酸化処理工程Ｓ１２１）。この酸化処理工程Ｓ１２１により、銅繊維及び銅板１２０の表面に、例えば厚さ１μｍ以上、１００μｍ以下の酸化物層が形成される。
　ここで、本実施形態における酸化処理工程Ｓ１２１の条件は、保持温度が５００℃以上、１０５０℃以下、望ましくは６００℃以上、１０００℃以下、保持時間が５分以上、３００分以下、望ましくは１０分以上、１００分以下の範囲内とされている。
　次に、本実施形態では、酸化処理工程Ｓ１２１を実施した後、銅繊維が積層配置された銅板１２０を焼成炉内に装入し、還元雰囲気で加熱して、酸化された銅繊維及び銅板１２０を還元処理し、銅繊維同士を結合するとともに銅繊維と銅板１２０とを結合する（還元処理工程Ｓ１２２）。
　ここで、本実施形態における還元処理工程Ｓ１２２の条件は、雰囲気が窒素と水素の混合ガス雰囲気、保持温度が５００℃以上、１０５０℃以下、望ましくは６００℃以上、１０００℃以下、保持時間が５分以上、３００分以下、望ましくは１０分以上、１００分以下の範囲内とされている。
　この酸化処理工程Ｓ１２１及び還元処理工程Ｓ１２２により、銅繊維（骨格部）及び銅板１２０の表面に酸化還元層が形成され、微細な凹凸が生じる。
　また、酸化処理工程Ｓ１２１によって銅繊維（骨格部）及び銅板１２０の表面に酸化物層が形成され、この酸化物層によって複数の銅繊維同士及び銅板１２０が架橋される。その後、還元処理工程Ｓ１２２を行うことで、銅繊維（骨格部）及び銅板１２０の表面に形成された酸化物層が還元され、酸化還元層を介して銅繊維同士が焼結されて骨格部が形成されるとともに銅多孔質体１１０と銅板１２０とが結合される。さらに、銅多孔質体１１０の気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上となる。
　以上のような製造方法によって、本実施形態である銅多孔質複合部材１００が製造される。
　以上のような構成とされた本実施形態である銅多孔質複合部材１００によれば、銅多孔質体１１０の気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上とされているので、導電性及び熱伝導性に優れており、この銅多孔質複合部材１００全体の導電性及び熱伝導性を向上させることができる。
　さらに、本実施形態においては、銅多孔質体１１０を構成する銅繊維及び銅板１２０の表面に酸化還元層が形成され、銅多孔質体１１０全体の比表面積が０．０１ｍ２／ｇ以上とされ、気孔率Ｐが５０％以上９０％以下の範囲内とされており、熱交換効率や保水性等の各種特性を大幅に向上させることが可能となる。
　また、本実施形態においては、銅多孔質体１１０を構成する銅繊維と銅板１２０の表面との結合部においては、銅繊維の表面に形成された酸化還元層と銅板１２０の表面に形成された酸化還元層とが一体に結合しているので、銅多孔質体１１０と銅板１２０とが強固に接合され、接合界面の強度、導電性及び熱伝導性に優れている。
　本実施形態である銅多孔質複合部材１００の製造方法によれば、銅及び銅合金からなる銅板１２０の表面に銅繊維を積層配置し、焼結工程Ｓ１０２及び接合工程Ｓ１０３を同時に実施しているので、製造プロセスを簡略化することが可能となる。
　また、酸化処理工程Ｓ１２１及び還元処理工程Ｓ１２２を実施することにより、気孔率規格化導電率σＮを２０％ＩＡＣＳ以上とすることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
　例えば、図３に示す製造設備を用いて、銅多孔質体を製造するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の製造設備を用いて銅多孔質体を製造してもよい。
　酸化処理工程Ｓ２１、Ｓ１２１の雰囲気については、所定温度で銅もしくは銅合金が酸化する酸化雰囲気であればよく、具体的には、大気中に限らず、不活性ガス（例えば、窒素）に０．５ｖｏｌ％以上の酸素を含有する雰囲気であればよい。また、還元処理工程Ｓ２２，Ｓ１２２の雰囲気についても、所定温度で銅酸化物が金属銅に還元もしくは酸化銅が分解する還元性雰囲気であればよく、具体的には、数ｖｏｌ％以上の水素を含有する窒素－水素混合ガス、アルゴン－水素混合ガス、純水素ガス、もしくは工業的によく用いられるアンモニア分解ガス、プロパン分解ガスなども好適に用いることができる。
　さらに、本実施形態においては、銅繊維を焼結することで銅多孔質体の骨格部を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば繊維不織布や金属フィルター等の銅多孔質体を準備し、この銅多孔質体に対して、酸化雰囲気で保持温度５００℃以上１０５０℃以下の条件で酸化処理を行うとともに、還元雰囲気で保持温度５００℃以上１０５０℃以下の条件で還元処理を行うことにより、気孔率規格化導電率σＮを２０％ＩＡＣＳ以上としてもよい。
　さらに、本実施形態では、骨格部の表面に酸化還元層を形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、酸化還元層が十分に形成されていなくてもよく、気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上とされていればよい。
　また、本実施形態においては、無酸素銅（ＪＩＳ　Ｃ１０２０）やりん脱酸銅（ＪＩＳ　Ｃ１２０１、Ｃ１２２０）やタフピッチ銅（ＪＩＳ　Ｃ１１００）などからなる銅繊維を用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅繊維１１の材質としては、他のＣｒ銅（Ｃ１８２００）やＣｒ－Ｚｒ銅（Ｃ１８１５０）などの高導電性の銅合金を用いてもよい。本実施形態においては、銅繊維を用いたが、銅粉末や銅繊維及び銅粉末の両方を用いてもよい。銅粉末の平均粒径は、０．００５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下が好ましく、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下がより好ましいが、これに限定されることはない。また、銅繊維及び銅粉末の両方を用いる場合には、銅繊維に対して、銅粉末を５％以上２０％以下含有することが好ましいが、これに限定されることはない。
　また、第二の実施形態では、図４に示す構造の銅多孔質複合部材を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、図６から図１１に示すような構造の銅多孔質複合部材であってもよい。
　さらに、第二の実施形態では、銅多孔質体と部材本体の接合部に酸化還元層からなる焼結層が形成されている接合方法を望ましい方法として例示したが、これに限定されることはなく、各種溶接法（レーザー溶接法、抵抗溶接法）や低温で溶融するロウ材を用いたロウ付け法による接合方法でも、銅多孔質体の気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上とされていればよい。
　例えば、図６に示すように、銅多孔質体２１０の中に、部材本体として複数の銅管２２０が挿入された構造の銅多孔質複合部材２００であってもよい。
　あるいは、図７に示すように、銅多孔質体３１０の中に、部材本体としてＵ字状に湾曲された銅管３２０が挿入された構造の銅多孔質複合部材３００であってもよい。
　さらに、図８に示すように、部材本体である銅管４２０の内周面に銅多孔質体４１０を接合した構造の銅多孔質複合部材４００であってもよい。
　また、図９に示すように、部材本体である銅管５２０の外周面に銅多孔質体５１０を接合した構造の銅多孔質複合部材５００であってもよい。
　さらに、図１０に示すように、部材本体である銅管６２０の内周面及び外周面に銅多孔質体６１０を接合した構造の銅多孔質複合部材６００であってもよい。
　また、図１１に示すように、部材本体である銅板７２０の両面に銅多孔質体７１０を接合した構造の銅多孔質複合部材７００であってもよい。
　以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
（実施例１）
　表１に示す材質及び製造方法によって製造された各種多孔質体を準備した。まず、熱処理前の気孔率と気孔率規格化導電率を測定した。その後、表１に記載した条件で酸化処理及び還元処理を行い、酸化処理及び還元処理後の気孔率と気孔率規格化導電率を測定した。なお、気孔率、及び、気孔率規格化導電率は、以下のようにして測定した。評価結果を表１に示す。
（気孔率）
　精密天秤を用いて水中法により真密度ＤＴ（ｇ／ｃｍ３）を測定し、以下の式で気孔率Ｐを算出した。なお、銅多孔質体の質量をｍ（ｇ）、銅多孔質体の体積をＶ（ｃｍ３）とした。
　気孔率Ｐ（％）＝（１－（ｍ／（Ｖ×ＤＴ）））×１００
（気孔率規格化導電率）
　幅３０ｍｍ×長さ２００ｍｍ×厚さ５ｍｍの板状に切り出したサンプルを用いて、ＪＩＳ　Ｃ２５２５に準拠し、日置電機社製マイクロオームハイテスター３２２７を用いて、電圧端子間隔１５０ｍｍ、測定電流０．５Ａの条件にて４端子法により導電率σＰ（％ＩＡＣＳ）を測定した。そして、以下の式により、気孔率規格化導電率σＮを算出した。
　気孔率規格化導電率σＮ（％ＩＡＣＳ）＝σＰ×（１／ＤＡ）
　なお、見掛け密度比ＤＡ（％）は、以下の式から算出した。
　見掛け密度比ＤＡ＝１００×ｍ／（Ｖ×ＤＴ）
　ここで、ｍ：銅多孔質体の質量（ｇ）、Ｖ：銅多孔質体の体積（ｃｍ３）、ＤＴ：銅多孔質体を構成する銅または銅合金の真密度（ｇ／ｃｍ３）
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本発明で規定した条件で酸化処理及び還元処理を実施した本発明例１－４においては、いずれも気孔率Ｐが５０％以上９０％以下の範囲内とされ、気孔率規格化導電率が２０％ＩＡＣＳを超えていた。
　これに対して、酸化処理の温度条件が低い比較例１及び，還元処理の温度条件が低い比較例２においては、酸化処理及び還元処理後においても十分に導電率が向上しておらず、気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ未満となった。
（実施例２）
　表２に示す銅粉末を用いて、表２に示す条件で酸化還元処理を行い、銅多孔質体を製造した。得られた銅多孔質体について、気孔率と気孔率規格化導電率を測定した。なお、気孔率、及び、気孔率規格化導電率は、実施例１と同様の方法により測定したが、実施例２においては、気孔率規格化導電率を算出する際のＤＴを、銅多孔質体を構成する銅粉末の真密度（ｇ／ｃｍ３）とした。評価結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　本発明で規定した条件で酸化処理及び還元処理を実施した本発明例１１－１４においては、いずれも気孔率Ｐが５０％以上９０％以下の範囲内とされ、気孔率規格化導電率が２０％ＩＡＣＳを超えていた。
　これに対して、酸化処理の温度条件が低い比較例１１及び，還元処理の温度条件が低い比較例１２においては、気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ未満となった。
（実施例３）
　表３に示す銅繊維を用いて、表３に示す条件で酸化還元処理を行い、銅多孔質体を製造した。なお、銅繊維の繊維径Ｒ及び繊維長さＬは、以下の方法で測定した。
（繊維径Ｒ）
　繊維径Ｒ（ｍｍ）は、マルバーン社製粒子解析装置「Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉ　Ｇ３」を用いて、ＪＩＳ　Ｚ　８８２７－１に基づいて、画像解析により算出された円相当径（Ｈｅｙｗｏｏｄ径）Ｒ＝（Ａ／π）１／２×２の平均値を用いた。
（繊維長Ｌ）
　銅繊維の繊維長Ｌ（ｍｍ）は、マルバーン社製粒子解析装置「Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉ　Ｇ３」を用いて、画像解析により算出された単純平均値を用いた。
　得られた銅多孔質体について、気孔率と気孔率規格化導電率を測定した。なお、気孔率、及び、気孔率規格化導電率は、実施例１と同様の方法により測定したが、実施例３においては、気孔率規格化導電率を算出する際のＤＴを銅多孔質体を構成する銅繊維の真密度（ｇ／ｃｍ３）とした。評価結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　本発明で規定した条件で酸化処理及び還元処理を実施した本発明例２１－２６においては、いずれも気孔率Ｐが５０％以上９０％以下の範囲内とされ、気孔率規格化導電率が２０％ＩＡＣＳを超えていた。
　これに対して、酸化処理の温度条件が低い比較例２１及び，還元処理の温度条件が低い比較例２２においては、気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ未満となった。
　以上のことから、本発明例によれば、気孔率が高い場合であっても、十分な導電性及び熱伝導性を有し、導電部材及び伝熱部材として特に適した銅多孔質体を提供可能であることが確認された。
　本発明の銅多孔質体、この銅多孔質体が部材本体に接合された銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法によれば、気孔率が高い場合であっても、十分な導電性及び熱伝導性を有する銅多孔質体を得ることができる。前記銅多孔質体は、導電部材及び伝熱部材として好適である。
　１０、１１０　　銅多孔質体
　１１　　銅繊維
　１２　　骨格部
　１００　　銅多孔質複合部材
　１２０　　銅板（部材本体）

Claims (11)

  1. 　三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体であって、
    　気孔率が５０％以上９０％以下の範囲内であり、
    　４端子法によって測定された前記銅多孔質体の導電率を、前記銅多孔質体の見掛け密度比で除することによって規定される気孔率規格化導電率σＮが２０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする銅多孔質体。
  2. 　前記骨格部の表面に、酸化還元層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の銅多孔質体。
  3. 　前記骨格部は、銅又は銅合金からなる銅粉末および銅繊維の少なくとも一方又は両方の焼結体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の銅多孔質体。
  4. 　前記銅繊維は、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内であり、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上２５００以下の範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の銅多孔質体。
  5. 　前記銅粉末および銅繊維の少なくとも一方又は両方の結合部は、互いの表面に形成された酸化還元層同士が一体に結合していることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の銅多孔質体。
  6. 　部材本体と、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の銅多孔質体との接合体からなることを特徴とする銅多孔質複合部材。
  7. 　前記部材本体のうち前記銅多孔質体との接合面が銅又は銅合金で構成され、前記銅多孔質体と前記部材本体との接合部が焼結層であることを特徴とする請求項６に記載の銅多孔質複合部材。
  8. 　請求項１又は請求項２に記載の銅多孔質体を製造する銅多孔質体の製造方法であって、
    　三次元網目構造の骨格部に対して、酸化雰囲気で保持温度５００℃以上１０５０℃以下の条件で酸化処理を行うとともに、還元雰囲気で保持温度５００℃以上１０５０℃以下の条件で還元処理を行うことにより、気孔率規格化導電率σＮを２０％ＩＡＣＳ以上とすることを特徴とする銅多孔質体の製造方法。
  9. 　請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の銅多孔質体を製造する銅多孔質体の製造方法であって、
    　前記銅粉末および前記銅繊維の少なくとも一方又は両方を、酸化雰囲気で保持温度５００℃以上１０５０℃以下の条件で酸化処理を行うとともに還元雰囲気で保持温度５００℃以上１０５０℃以下の条件で還元処理を行うことにより、前記銅粉末および前記銅繊維の少なくとも一方又は両方の焼結体からなる前記骨格部を形成するとともに、気孔率規格化導電率σＮを２０％ＩＡＣＳ以上とすることを特徴とする銅多孔質体の製造方法。
  10. 　部材本体と、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の銅多孔質体の接合体からなる銅多孔質複合部材の製造方法であって、
    　請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の銅多孔質体と、前記部材本体とを接合する接合工程を備えていることを特徴とする銅多孔質複合部材の製造方法。
  11. 　前記部材本体のうち前記銅多孔質体が接合される接合面は、銅又は銅合金で構成されており、前記接合工程は、前記銅多孔質体と前記部材本体とを焼結によって接合することを特徴とする請求項１０に記載の銅多孔質複合部材の製造方法。
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