JP2015025158A - 金属と炭素繊維との複合材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い機械的強度を有する外面を備えた、金属と炭素繊維との複合材を提供する。【解決手段】複合材１Ａは、金属層２と炭素繊維層３が交互に且つ積層方向の両最外側にそれぞれ金属層２ａ、２ｂが配置される態様にして複数積層されるとともに、これらの層が拡散接合により一体化されたものである。各最外側金属層２ａ、２ｂの厚さは、両最外側金属層２ａ、２ｂの間に配置された各内側金属層２ｃの厚さよりも厚く設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、金属と炭素繊維との複合材及びその製造方法に関する。

なお、本明細書及び特許請求の範囲において、特に明示しない限り、「アルミニウム」の語はアルミニウム合金も含む意味で用いられ、また「銅」の語は銅合金も含む意味で用いられる。

金属と炭素繊維との複合材として、例えば特許文献１（特許第５１５０９０５号公報）や特許文献２（特許第５１４５５９１号公報）に記載されているように、金属層と炭素繊維層とが交互に複数積層されて接合一体化されたものが知られている。この種の複合材は、高い熱伝導特性が必要な部材用の材料としての利用が期待されている。

特許第５１５０９０５号公報 特開第５１４５５９１号公報

この種の複合材では、主に、炭素繊維層を挟んだ両側の金属層のそれぞれの金属が炭素繊維層を通過して相手の金属層中へ熱拡散することにより、両金属層同士が接合されることで、全ての金属層及び炭素繊維層が一体化される。したがって、炭素繊維層はなるべく薄い方が、接合強度が高くなる点で望ましい。

また、ＩＣ等の半導体素子の熱を放出する放熱用絶縁基板の構成層としてこの種の複合材を用いる場合には、複合材と絶縁基板に含まれたセラミック層との間の線膨張係数差に起因する熱応力によって割れや剥離が発生しないようにするため、複合材の線膨張係数はなるべく小さい方が望ましい。ここで、一般に炭素繊維の線膨張係数は金属の線膨張係数よりも小さい。したがって、複合体における炭素繊維の含有量（例：炭素繊維の体積含有率）はなるべく多い方が、複合材の線膨張係数を小さくできる点で望ましい。

さらに、一般に炭素繊維の熱伝導率は金属のそれよりも高い。したがって、複合材における炭素繊維の含有量はなるべく多い方が、複合材の熱伝導率を高くできる（即ち放熱特性を向上できる）点で望ましい。

したがって、接合強度を高めるとともに複合材の線膨張係数を小さくし更に複合材の熱伝導率を高くするためには、炭素繊維層をなるべく薄くするとともに炭素繊維の含有量をなるべく多くするのが望ましく、こうするためには、金属層と炭素繊維層をともに薄くして積層させるのが良い。

ところが、金属層を薄くすると次のような問題が発生する。

すなわち、薄い金属層が複合材の最外側に配置されると、複合材の外面の機械的強度が低下する。その結果、複合材の外面に傷が付いた場合、この傷部から炭素繊維が露出するとともにこの傷部から金属層が簡単に剥がれるという表面欠陥が生じる。しかも、複合材の積層方向の最外側に配置された金属層の厚さが炭素繊維の直径寸法に近づいて当該最外側金属層が炭素繊維の形状に対応するように歪んでしまい、その結果、複合材の外面が非常に傷つき易くなって上述の表面欠陥が益々生じ易くなる。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、高い熱伝導率と小さな線膨張係数を有するとともに、外面の機械的強度が高い、金属と炭素繊維との複合材及びその製造方法を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］ 金属層と炭素繊維層が交互に且つ積層方向の両最外側にそれぞれ金属層が配置される態様にして複数積層されるとともに、これらの層が拡散接合により接合一体化されたものであり、
前記最外側金属層の厚さは、前記両最外側金属層の間に配置された内側金属層の厚さよりも厚く設定されていることを特徴とする金属と炭素繊維との複合材。

［２］ 前記金属層はアルミニウムで形成されており、
前記内側金属層の厚さは２０μｍ以下であり、
前記最外側金属層の厚さは３０μｍ以上である前項１記載の金属と炭素繊維との複合材。

［３］ 前記金属層は銅で形成されており、
前記内側金属層の厚さは１５μｍ以下であり、
前記最外側金属層の厚さは２０μｍ以上である前項１記載の金属と炭素繊維との複合材。

［４］ 炭素繊維がバインダー及び溶剤と混合された混合物を金属箔上に層状に付着させて、金属箔上に混合物層が形成されたプリフォーム箔を得る混合物付着工程と、
前記プリフォーム箔を複数積層してプリフォーム箔積層体を形成するとともに、積層方向の両最外側にそれぞれ金属箔が配置されるように、前記プリフォーム箔又は前記混合物層が形成されていない金属箔を前記プリフォーム箔積層体の積層方向の少なくとも片面に対して積層して、金属箔と混合物層との最終積層体を形成する積層体形成工程と、
前記最終積層体を非酸化雰囲気又は真空中にて前記金属箔の溶融温度よりも低い温度で拡散接合により接合一体化する接合工程と、を具備しており、
前記積層体形成工程では、前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記混合物層に隣接して配置される最外側金属箔の厚さが、両最外側金属箔の間に配置される内側金属箔の厚さよりも厚く設定されていることを特徴とする金属と炭素繊維との複合材の製造方法。

［５］ 前記金属箔はアルミニウム箔であり、
前記内側金属箔の厚さは２０μｍ以下であり、
前記プリフォーム箔の前記混合物層に隣接して配置される最外側金属箔の厚さは３０μｍ以上であり、
前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記金属箔に隣接して最外側金属箔が配置される場合には、当該最外側金属箔の厚さは、前記隣接する金属箔の厚さとの合計厚さが３０μｍ以上になるように設定されている前項４記載の金属と炭素繊維との複合材の製造方法。

［６］ 前記金属箔は銅箔であり、
前記内側金属箔の厚さは１５μｍ以下であり、
前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記混合物に隣接して配置される最外側金属箔の厚さは２０μｍ以上であり、
前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記金属箔に隣接して最外側金属箔が配置される場合には、当該最外側金属箔の厚さは、前記隣接する金属箔の厚さとの合計厚さが２０μｍ以上になるように設定されている前項４記載の金属と炭素繊維との複合材の製造方法。

［７］ 前記積層体形成工程の前に、前記プリフォーム箔の前記混合物層を乾燥させる乾燥工程を更に具備している前項４〜６のいずれかに記載の金属と炭素繊維との複合材の製造方法。

本発明は以下の効果を奏する。

前項［１］の複合材では、金属層と炭素繊維層が交互に複数積層された構造を有している。これにより、複合材の熱伝導率を高くすることができるし、複合材の線膨張係数を小さくすることができる。さらに、最外側金属層の厚さが内側金属層の厚さよりも厚く設定されているので、複合材の積層方向の外面の機械的強度が高く、したがって表面欠陥の発生を防止することができる。

前項［２］では、前項［１］の複合材による上記効果を確実に奏し得るアルミニウムと炭素繊維との複合材を提供できる。

前項［３］では、前項［１］の複合材による上記効果を確実に奏し得る銅と炭素繊維との複合材を提供できる。

前項［４］の複合材の製造方法では、前項［１］の複合材を確実に製造することができる。さらに、接合工程では、最終積層体を非酸化雰囲気又は真空中にて金属箔の溶融温度よりも低い温度で拡散接合により接合一体化することにより、金属箔の金属と炭素繊維との化学反応による金属炭化物の生成を防止できる。これにより、金属炭化物の生成に伴う複合材の特性変化を防止できる。

前項［５］では、前項［２］の複合材を確実に製造することができる。さらに、金属炭化物として炭化アルミニウム（Ａｌ_４Ｃ_３）の生成を防止できる。ここで、炭化アルミニウムは水や空気中の水分と反応して炭化水素ガス（例：メタンガス）を生じたり金属酸化物に変質したりするため、炭化アルミニウムの生成は複合材の内部欠陥の発生原因となる。したがって、炭化アルミニウムはできる限り生成されさないことが望ましい。しかるに、前項［５］では、上述したように炭化アルミニウムの生成が防止されるので、炭化アルミニウムの生成による内部欠陥が発生しない複合材を得ることができ、
前項［６］では、前項［３］の複合材を確実に製造することができる。

前項［７］では、複合材をより強固に接合一体化することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る、金属と炭素繊維との複合材の断面図である。 図２Ａは、同複合材の製造工程を示すブロック図である。 図２Ｂは、同複合材の製造工程を説明する概略図である。 図３は、同複合材を得るための最終積層体を形成する途中の状態を示す断面図である。 図４は、同最終積層体を放電プラズマ焼結法により接合一体化する途中の状態を示す断面図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る、金属と炭素繊維との複合材の断面図である。 図６は、同複合材を得るための最終積層体を形成する途中の状態を示す断面図である。 図７は、本発明の第３実施形態に係る、金属と炭素繊維との複合材の断面図である。 図８は、同複合材を得るための最終積層体を形成する途中の状態を示す断面図である。 図９は、本発明の第４実施形態に係る、金属と炭素繊維との複合材の断面図である。 図１０は、同複合材を得るための最終積層体を形成する途中の状態を示す断面図である。

次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る金属と炭素繊維との複合材１Ａは、金属層２と炭素繊維層３が交互に且つ積層方向の両最外側にそれぞれ金属層２ａ、２ｂが配置される態様にして複数積層されており、更に、これらの層２、３が拡散接合により接合一体化されたものである。なお図面では、炭素繊維層３は金属層２と区別するためドットハッチングで示されている。

ここで、本第１実施形態の複合材１Ａでは、説明の便宜上、積層方向を上下方向に設定している。さらに、複合材１Ａの厚さ方向を積層方向に設定している。ただし本発明は、積層方向を上下方向に設定することに限定されるものではなく、前後方向や左右方向などの任意の方向に設定することができる。

さらに、第１実施形態の複合材１Ａでは、全ての金属層２のうち積層方向（即ち上下方向）の両最外側の一方側としての最上側に配置された金属層２を特に「最上側金属層２ａ」及び他方側としての最下側に配置された金属層２を特に「最下側金属層２ｂ」といい、更に、最上側金属層２ａと最下側金属層２ｂとの間に配置された金属層２を特に「内側金属層２ｃ」という。

この複合材１Ａの長さは例えば１０〜３００ｍｍ、その幅は例えば１０〜２００ｍｍ、その厚さ（即ち積層方向の厚さ）は例えば０．５〜２０ｍｍの範囲に設定されている。ただし本発明では、複合材１Ａの大きさ（長さ、幅、厚さ）はこのような範囲内に設定されることに限定されるものではなく、複合材１Ａの用途などに応じて様々に設定されるものである。

この複合材１Ａでは、炭素繊維層３を挟んだ両側の金属層２、２のそれぞれの金属が炭素繊維層３を通過して相手の金属層２中へ熱拡散することにより、両金属層２、２同士が接合されており、その結果、全ての金属層２及び炭素繊維層３が一体化されている。

金属層２を形成する金属は限定されるものではないが、特にアルミニウム又は銅であることが望ましく、こうすることにより、複合材１Ａの熱伝導率を確実に高めることができる。

本第１実施形態では、全ての金属層２は同種の金属で形成されており、具体的にはアルミニウムで形成されているか又は銅で形成されているとして以下に説明する。

炭素繊維層３を形成する炭素繊維４０（図２Ｂ参照）は、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維及びカーボンナノチューブ類（例えば、気相成長カーボンナノファイバー、シングルウォールカーボンナノファイバー、マルチウォールカーボンナノチューブ）からなる群より選択される１種の繊維径０．１ｎｍ〜２０μｍ及び繊維長０．５μｍ〜１．０ｍｍの短炭素繊維であるか又は２種以上の繊維径０．１ｎｍ〜２０μｍ及び繊維長０．５μｍ〜１．０ｍｍの混合短炭素繊維であることが望ましい。特に、ＰＡＮ系炭素繊維及びピッチ系炭素繊維についてはチョップドファイバー又はミルドファイバーであって繊維径５〜１５μｍ及び繊維長５０μｍ〜１ｍｍのものであることが望ましく、更に、気相成長カーボンナノファイバーについては繊維径０．１ｎｍ〜２０μｍ及び繊維長０．５μｍ〜１ｍｍのものであることが望ましく、こうすることにより、炭素繊維がバインダー４１及び溶剤４２と混合された混合物４５を確実に塗料液化することができる。

また、炭素繊維層３では、炭素繊維４０が積層方向に対し垂直方向（即ち面方向）に配向した状態に配置されている。

ここで、炭素繊維層３は炭素繊維４０を主体として形成されたものである。具体的には、炭素繊維層３は、炭素繊維４０だけで形成されていても良いし、炭素繊維４０と後述するバインダー４１とで形成されていても良いし、バインダー４１の乾燥残留物と炭素繊維４０とで形成されていても良いし、バインダー４１の燃焼残渣と炭素繊維４０とで形成されていても良い。さらに、炭素繊維層３は、バインダー４１が乾燥又は燃焼することで残った炭素繊維４０だけで形成されていても良い。

本第１実施形態の複合材１Ａでは、金属層２と炭素繊維層３が交互に複数積層された構造を有している。これにより、複合材１Ａの線膨張係数は小さく且つ複合材１Ａの熱伝導率は高くなっている。さらに、最上側金属層２ａ及び最下側金属層２ｂの厚さはそれぞれ各内側金属層２ｃの厚さよりも厚く設定されている。これにより、複合材１Ａの上面１ａ及び下面１ｂ（即ち複合材１Ａの積層方向の両外面）の機械的強度が高くなっており、したがって上下各面１ａ、１ｂが傷付くことによる表面欠陥（炭素繊維層３の露出、最外側金層層２ａ、２ｂの剥がれ等）の発生を防止することができる。しかも、最上側金属層２ａ及び最下側金属層２ｂだけが厚いので、複合材１Ａの線膨張係数の増大及び熱伝導率の低下を極力抑制することができる。

金属層２の望ましい厚さは以下のとおりである。

金属層２がアルミニウムで形成されている場合、各内側金属層２ｃの厚さは２０μｍ以下であり且つ最上側金属層２ａ及び最下側金属層２ｂの厚さはそれぞれ３０μｍ以上（特に望ましくは５０μｍ以上）であることが望ましく、こうすることにより、複合材１Ａの線膨張係数を小さく且つ熱伝導率を高めた状態で表面欠陥の発生を確実に防止できる。各内側金属層２ｃの厚さの下限は限定されるものではないが、特に１０μｍであることが望ましく、こうすることにより、炭素繊維層３を挟んだ両側の金属層２、２同士を強固に拡散接合により接合することができて接合強度を確実に高めることができる。最上側金属層２ａ及び最下側金属層２ｂの厚さの上限は限定されるものではなく、例えば１０ｍｍに設定される。

金属層２を形成するアルミニウムとしては、箔になりうるアルミニウムであれば何でも用いることができ、例えば、純アルミニウム、ＪＩＳ（日本工業規格）合金記号Ａ１０００、Ａ３０００、Ａ８０００番系のアルミニウムが好適に用いられる。

金属層２が銅で形成されている場合、各内側金属層２ｃの厚さは１５μｍ以下であり且つ最上側金属層２ａ及び最下側金属層２ｂの厚さはそれぞれ２０μｍ以上（特に望ましくは３０μｍ以上）であることが望ましく、こうすることにより、複合材１Ａの線膨張係数を小さく且つ熱伝導率を高めた状態で表面欠陥の発生を確実に防止できる。各内側金属層２ｃの厚さの下限は限定されるものではないが、特に６μｍであることが望ましく、こうすることにより、炭素繊維層３を挟んだ両側の金属層２、２同士を強固に拡散接合により接合することができて接合強度を確実に高めることができる。最上側金属層２ａ及び最下側金属層２ｂの厚さの上限は限定されるものではなく、例えば１０ｍｍに設定される。

金属層２を形成する銅としては、圧延銅や電解銅などが用いられる。すなわち、金属層２は圧延銅箔や電解銅箔などから形成される。

複合材１Ａにおける最上側金属層２ａ及び最下側金属層２ｂを除いた炭素繊維４０の体積含有率（以下、単に「炭素繊維の体積含有率Ｖｆ」と記する）については、炭素繊維４０の種類や複合材１Ａの用途に応じて様々に設定されるものであるが、特に３０〜５０体積％の範囲に設定されることが望ましい。このように炭素繊維の体積含有率Ｖｆ及び炭素繊維層３の厚さを設定することにより、接合強度を確実に高めることができるし複合材１Ａの線膨張係数を確実に小さくすることができるし複合材１Ａの熱伝導率を確実に高めることができる。

複合材１Ａにおける内側金属層２ｃの数及び炭素繊維層３の数はそれぞれ限定されるものではなく、複合材１Ａの用途に応じて様々に設定されるものであり、内側金属層２ｃの数は１層以上で炭素繊維層３の数は２層以上であれば良い。また、内側金属層２ｃの数の上限及び炭素繊維層３の数の上限についてもそれぞれ限定されるものではなく、例えば数千層（例：３０００層）であっても良い。

この複合材１Ａでは、各内側金属層２ｃは１枚の金属箔１２から形成された層である。両最外側金属層２ａ、２ｂのうち最上側金属層２ａは１枚の金属箔１２ａから形成された層であり、一方、最下側金属層２ｂは互いに積層された複数枚としての２枚の金属箔１２、１２ｂ同士が拡散接合により接合一体化されて形成された層である。

次に、本第１実施形態の複合材１Ａの製造方法について図２Ａ〜４を参照して以下に説明する。

本第１実施形態の複合材１Ａの製造方法は、図２Ａに示すように、混合物付着工程Ｓ１、乾燥工程Ｓ２、積層体形成工程Ｓ３、接合工程Ｓ４などを具備している。

混合物付着工程Ｓ１は、図２Ｂに示すように、炭素繊維４０がバインダー４１及び溶剤４２と混合されてなる塗料液としての混合物４５を金属箔１２上として金属箔１２の両面のうち少なくとも片面上に層状に付着させ、これにより、金属箔１２の少なくとも片面上に混合物層１３が形成されたプリフォーム箔２０を得る工程である。本第１実施形態では、混合物４５は金属箔１２の片面としての上面上にその略全面に亘って層状に付着されており、したがって、プリフォーム箔２０は金属箔１２の上面上にその略全面に亘って混合物層１３が形成されたものである。

ここで、複合材１Ａの金属層２がアルミニウムで形成される場合、金属箔１２としてアルミニウム箔が用いられる。複合材１Ａの金属層２が銅で形成される場合、金属箔１２として銅箔が用いられる。金属箔１２の望ましい厚さについては後述する。

バインダー４１としては、ポリエチレンオキシド（ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレン）、アクリル等の樹脂が好適に用いられる。その溶剤４２としては、水、アルコール（例：メタノール）、グリコール系溶剤（例：エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールのエーテル類（セロソルブ）、アセテート類、ジエチレングリコールのエーテル類、アセテート類、プロピレングリコールのエーテル類、アセテート類）等が用いられる。

図２Ｂに示すように、混合物付着工程Ｓ１では、炭素繊維４０、バインダー４１及び溶剤４２を混合容器４９内に入れてこれらを撹拌器（例：ミキサー）４８により撹拌混合し、これにより、炭素繊維４０を含有した混合物４５を塗料液として得る。このとき、炭素繊維４０だけではなく更に金属箔１２（金属層２）の金属と同種の金属粒子（その粒径：１〜１５０μｍ）も混合しても良い。さらに、混合物（塗料液）４５の調整用の分散剤、表面調整剤、増粘剤なども混合しても良い。

次いで、塗工装置５０を用いて混合物４５を金属箔１２の上面上にその略全面に亘って層状に付着（塗布）させる。混合物４５の付着量は限定されるものではないが、望ましくは、後述する乾燥工程Ｓ２で混合物４５を乾燥させた後の状態で２０〜５０ｇ／ｍ^２の範囲になるように設定するのが良い。

塗工装置５０としてはロールコーター、グラビアコーター等が用いられる。図２Ｂに示した塗工装置５０では、巻出しロール５１から巻き出された金属箔１２の条材１２Ａが塗布ロールユニット５２及び乾燥炉５５を順次通過して巻取りロール５３で巻き取られる。混合物４５の付着は、塗布ロールユニット５２で行われる。すなわち、巻出しロール５１から巻き出された金属箔１２の条材１２Ａは、塗布ロールユニット５２を通過する際にその上面上に塗布ロールユニット５２により混合物４５が層状に付着されて、混合物層１３が形成されたプリフォーム箔２０の条材２０Ａとなり、そして乾燥炉５５を通過したのち巻取りロール５３で巻き取られる。なお、塗布ロールユニット５２は、混合物用パン５２ａ、ピックアップロール５２ｂ、アプリケーターロール５２ｃ、バックアップロール５２ｄ等を備えている。

乾燥工程Ｓ２は、プリフォーム箔２０の混合物層１３を乾燥させる工程である。本第１実施形態では、混合物層１３の乾燥は上述した塗工装置５０の乾燥炉５５（例：熱風式乾燥炉）により行われる。

混合物層１３の乾燥条件は、混合物層１３中に含まれる溶剤成分を混合物層１３から蒸発除去可能な条件であれば限定されるものではないが、特に、乾燥温度８０〜１８０℃及び乾燥時間１〜１０ｍｉｎの条件が適用されることが多い。この乾燥工程Ｓ２によってプリフォーム箔２０の混合物層１３中の溶剤成分が蒸発除去されて、混合物層１３中には主に炭素繊維４０が残存し、即ち混合物層１３は炭素繊維主体の層となる。

積層体形成工程Ｓ３は、金属箔１２と混合物層１３との最終積層体３０Ａを形成する工程である。この工程Ｓ３では、まず乾燥工程Ｓ２で混合物層１３が乾燥されて巻取りロール５３で巻き取られたプリフォーム箔２０の条材２０Ａから所定形状（例：四角形状）のプリフォーム箔２０を複数切り出す。そして、プリフォーム箔２０を図３に示すように同じ向きにして上下方向に複数積層してプリフォーム箔積層体２５を形成（製作）するとともに、混合物層１３が形成されていない金属箔１２を最上側金属箔１２ａ及び最下側金属箔１２ｂとしてプリフォーム箔積層体２５の上面及び下面に対してそれぞれ積層する。これにより、金属箔１２と混合物層１３との最終積層体３０Ａが形成（製作）される。この最終積層体３０Ａでは、上下方向（即ち積層方向）の最上側と最下側にはそれぞれ混合物層１３が形成されていない金属箔１２が配置されている。互いに積層される複数のプリフォーム箔２０の形状及び寸法は、互いに同形及び同寸である。

また、この最終積層体３０Ａでは、最上側金属箔１２ａはプリフォーム箔２０の混合物層１３にその上側に隣接して配置されており、一方、最下側金属箔１２ｂはプリフォーム箔２０の金属箔１２にその下側に隣接して配置されている。

接合工程Ｓ４は、最終積層体３０Ａ（詳述すると、最終積層体３０Ａを形成する全ての箔（即ち、全てのプリフォーム箔２０、最上側金属箔１２ａ及び最下側金属箔１２ｂ））を非酸化雰囲気又は真空中にて金属箔１２の溶融温度（即ち金属箔１２の融点）よりも低い接合温度で拡散接合により接合一体化する工程である。拡散接合としては放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）、ホットプレス法、熱圧延ロール法等が用いられる。本第１実施形態では、拡散接合として放電プラズマ焼結法が用いられる。

最終積層体３０Ａを放電プラズマ焼結法により接合一体化する方法について以下に説明する。

図４に示すように、導電性を有する筒状ダイ６１、導電性を有する一対のパンチ６２、６２などを備えた放電プラズマ焼結装置６０を準備する。各パンチ６２には電極６３が電気的に接続されている。ダイ６１内に最終積層体３０Ａを配置するとともに最終積層体３０Ａの積層方向の両側にそれぞれパンチ６２を配置する。そして、不活性ガス（例：窒素ガス、アルゴンガス）雰囲気等の非酸化性雰囲気又は真空（真空度：例えば１〜３０Ｐａ）中にて両パンチ６２、６２で最終積層体３０Ａを積層方向に加圧しつつ両パンチ６２、６２間にパルス電流を通電することにより、最終積層体３０Ａ（詳述すると、最終積層体３０Ａを形成する全ての箔（即ち、全てのプリフォーム箔２０、最上側金属箔１２ａ及び最下側金属箔１２ｂ））を接合一体化する。これにより、図１に示した所望する複合材１Ａを得る。

放電プラズマ焼結法による好ましい接合条件は以下のとおりである。

金属箔１２がアルミニウム箔である場合には、接合温度は４５０〜６００℃、接合時間（即ち接合温度の保持時間）は１０〜３００ｍｉｎ、最終積層体３０Ａへの加圧力は １０〜４０ＭＰａの範囲に設定されるのが良い。金属箔１２が銅箔である場合には、接合温度は８００〜１０００℃、接合温度の保持時間は１０〜３００ｍｉｎ、最終積層体３０Ａへの加圧力は１０〜４０ＭＰａの範囲に設定されるのが良い。

この接合工程Ｓ４では、混合物層１３から炭素繊維層３が形成され、また混合物層１３を挟んだ両側の金属箔１２、１２からそれぞれ金属層２、２が形成されるとともに、両金属層２、２（両金属箔１２、１２）のそれぞれの金属が接合時の熱によって炭素繊維層３（混合物層１３）を通過して相手の金属層２（金属箔１２）中へ熱拡散することにより、両金属層２、２（両金属箔１２、１２）同士が接合される。さらに、最下側金属箔１２ｂとこれに隣接するプリフォーム箔２０の金属箔１２とが直接的に接合一体化されて、１つの最下側金属層２ｂが形成される。

ここで上述したように、炭素繊維層３には、バインダー４１、バインダー４１の乾燥残留物、バインダー４１の燃焼残渣などが残存していても良いし、あるいは、バインダー４１が乾燥又は燃焼することにより完全に除去されて炭素繊維４０だけが残存していても良い。

以上の複合材１Ａの製造方法において、積層体形成工程Ｓ３では、最上側金属箔１２ａ及び最下側金属箔１２ｂの間に、複数のプリフォーム箔２０が積層されて配置されている。プリフォーム箔２０の金属箔１２がアルミニウム箔である場合、上述した理由によりアルミニウム箔の厚さは２０μｍ以下であることが望ましく、またその厚さの下限は１０μｍであることが望ましい。プリフォーム箔２０の金属箔１２が銅箔である場合、上述した理由により銅箔の厚さは１５μｍ以下であることが望ましく、また厚さの下限は６μｍであることが望ましい。

最上側金属箔１２ａ及び最下側金属箔１２ｂのうちプリフォーム箔２０の混合物層１３に隣接して配置される最上側金属箔１２ａの厚さは、プリフォーム箔２０の金属箔１２の厚さよりも厚く設定されている。

金属箔１２がアルミニウム箔である場合、上述した理由により最上側金属箔１２ａの厚さは３０μｍ以上（特に望ましくは５０μｍ以上）であることが望ましい。最上側金属箔１２ａの厚さの上限は限定されるものではなく、例えば１０ｍｍに設定される。一方、最上側金属箔１２ａが銅箔である場合、上述した理由により最上側金属箔１２ａの厚さは２０μｍ以上（特に望ましくは３０μｍ以上）であることが望ましい。最上側金属箔１２ａの厚さの上限は限定されるものではなく、例えば１０ｍｍに設定される。

最上側金属箔１２ａ及び最下側金属箔１２ｂのうちプリフォーム箔２０の金属箔１２に隣接して配置される最下側金属箔１２ｂは、上述したように当該最下側金属箔１２ｂに隣接して配置される金属箔１２と接合一体化されて、１つの最下側金属層２ｂが形成され、その結果、その厚さがプリフォーム箔２０の金属箔１２（即ち内側金属箔１２ｃ）の厚さよりも厚くなる。したがって、最下側金属層２ｂの厚さを内側金属層２ｃの厚さよりも厚くするための最下側金属箔１２ｂの厚さの下限は限定されるものではない。しかるに、金属箔１２がアルミニウム箔である場合、上述した理由により、最下側金属箔１２ｂの厚さは、当該最下側金属箔１２ｂの厚さと隣接する金属箔１２（即ち内側金属箔１２ｃ）の厚さとの合計厚さが３０μｍ以上（特に望ましくは５０μｍ以上）になるように設定されるのが望ましい。すなわち、例えば、最下側金属箔１２ｂと隣接する金属箔１２（内側金属箔１２ｃ）の厚さが１０μｍである場合、最下側金属箔１２ｂの厚さは２０μｍ以上（特に望ましくは４０μｍ以上）であることが望ましい。一方、金属箔１２が銅箔である場合、上述した理由により、最下側金属箔１２ｂの厚さは、当該最下側金属箔１２ｂの厚さと隣接する金属箔（即ち内側金属箔１２ｃ）の厚さとの合計厚さが２０μｍ以上（特に望ましくは３０μｍ以上）になるように設定されるのが望ましい。すなわち、例えば、最下側金属箔１２ｂと隣接する金属箔１２（内側金属箔１２ｃ）の厚さが６μｍである場合、最下側金属箔１２ｂの厚さは１４μｍ以上（特に望ましくは２４μｍ以上）であることが望ましい。

上記第１実施形態の複合材１Ａの製造方法によれば、接合工程Ｓ４では、最終積層体３０Ａを非酸化雰囲気又は真空中にて金属箔１２の溶融温度よりも低い温度で拡散接合により接合一体化するので、金属箔１２の金属と炭素繊維４０との化学反応による金属炭化物の生成を防止できる。これにより、金属炭化物の生成に伴う複合材１Ａの特性変化を防止できる。特に、金属箔１２がアルミニウム箔である場合には、金属炭化物として炭化アルミニウム（Ａｌ_４Ｃ_３）の生成を防止できる。そのため、炭化アルミニウムの生成による内部欠陥が発生しない複合材１Ａを得ることができ、これにより、複合材１Ａの機械的強度及び熱伝導率を良好な状態に維持することができる。

さらに、乾燥工程Ｓ２で混合物層１３が乾燥されて混合物層１３中の液成分が除去されているので、接合工程Ｓ４において最終積層体３０Ａをより強固に接合一体化することができる。

図５及び６は、本発明の第２実施形態の金属と炭素繊維との複合材１Ｂを説明する図である。以下では、本第２実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に説明する。

本第２実施形態の複合材１Ｂの製造方法では、図６に示すように、金属箔１２上に混合物層１３が形成された複数のプリフォーム箔２０のうち、最下側に配置されるプリフォーム箔２０の金属箔１２の厚さは、他のプリフォーム箔２０の金属箔１２の厚さよりも厚くなっている。このプリフォーム箔２０を説明の便宜上、特に「厚肉プリフォーム箔２０ｂ」という。なお、この厚肉プリフォーム箔２０ｂの金属箔１２が最下側金属箔１２ｂに対応している。

積層体形成工程Ｓ３では、プリフォーム箔２０を複数積層してプリフォーム箔積層体２５を形成するとともに、混合物層１３が形成されていない金属箔１２を最上側金属箔１２ａとしてプリフォーム箔積層体２５の上面に対して積層し、且つ、厚肉プリフォーム箔２０ｂを最下側に厚肉プリフォーム箔２０ｂの金属箔１２が配置されるようにプリフォーム箔積層体２５の下面に対して積層する。これにより、金属箔１２と混合物層１３との最終積層体３０Ｂを形成する。この最終積層体３０Ｂでは、上下方向（即ち積層方向）の最上側には混合物層１３が形成されていない金属箔１２が配置されており、一方、最下側には厚肉プリフォーム箔２０ｂの金属箔１２が最下側金属箔１２ｂとして配置されている。

次いで、接合工程Ｓ４において、最終積層体３０Ｂ（詳述すると、最終積層体３０Ｂを形成する全ての箔（即ち、全てのプリフォーム箔２０、２０ｂ、最上側金属箔１２ａ））を非酸化雰囲気又は真空中にて金属箔１２の溶融温度よりも低い温度で拡散接合により接合一体化する。

本第２実施形態におけるその他の構成は、上記第１実施形態と同じである。

ここで、上記第１実施形態の複合材１Ａでは、最下側金属層２ｂは、上述したように、最下側金属箔１２ｂとこれに隣接するプリフォーム箔２０の金属箔１２とが直接的に接合一体化されて形成されたものである（図１参照）。これに対し、本第２実施形態の複合材１Ｂでは、最下側金属層２ｂは厚肉プリフォーム箔２０ｂの金属箔１２だけで形成されている（図５参照）。

図７及び８は、本発明の第３実施形態の金属と炭素繊維との複合材１Ｃを説明する図である。以下では、本第３実施形態について上記第１及び第２実施形態との相異点を中心に説明する。

本第３実施形態の複合材１Ｃは、図７に示すように、３層の金属層２（その内訳：２層の最外側金属層２ａ、２ｂ及び１層の内側金属層２ｃ）と２層の炭素繊維層３とで形成されている。そして、上記第１実施形態の複合材１Ａと同様に、内側金属層２ｃは１枚の金属箔１２から形成された層である。両最外側金属層２ａ、２ｂのうち最上側金属層２ａは１枚の金属箔１２ａから形成された層であり、一方、最下側金属層２ｂは、最下側金属箔１２ｂとこれに隣接するプリフォーム箔２０の金属箔１２とが直接的に接合一体化されて形成されたものである（図８参照）。

本第３実施形態の複合材１Ｃは、図８に示すように、２枚のプリフォーム箔２０と、混合物層１３が形成されていない１枚の最上側金属箔１２ａとしての金属箔１２ａと、混合物層１３が形成されていない１枚の最下側金属箔１２ｂとしての金属箔１２ｂとを用いて、上記第１実施形態の複合材１Ａの製造方法と同じ方法で製造される。

図９及び１０は、本発明の第４実施形態の金属と炭素繊維との複合材１Ｄを説明する図である。以下では、本第４実施形態について上記第１〜第３実施形態との相異点を中心に説明する。

本第４実施形態の複合材１Ｄは、図９に示すように、上記第３実施形態の複合材１Ｃと同様に、３層の金属層２（その内訳：２層の最外側金属層２ａ、２ｂ及び１層の内側金属層２ｃ）と２層の炭素繊維層３とで形成されている。そして、上記第２実施形態の複合材１Ａと同様に、内側金属層２ｃは１枚の金属箔１２から形成された層である。両最外側金属層２ａ、２ｂのうち最上側金属層２ａは１枚の金属箔１２ａから形成された層であり、一方、最下側金属層２ｂは厚肉プリフォーム箔２０ｂの金属箔１２だけで形成されている（図１０参照）。

本第４実施形態の複合材１Ｄの製造方法における積層体形成工程Ｓ３では、図１０に示すように、２枚のプリフォーム箔２０、２０ｂを厚肉プリフォーム箔２０ｂの金属箔１２が上下方向（即ち積層方向）の最下側に配置されるように積層してプリフォーム箔積層体２５を形成するとともに、混合物層１３が形成されていない金属箔１２を最上側金属箔１２ａとしてプリフォーム箔積層体２５の上面に対して積層する。これにより、金属箔１２と混合物層１３との最終積層体３０Ｄを形成する。この最終積層体３０Ｄでは、上下方向（即ち積層方向）の最上側には混合物層１３が形成されていない金属箔１２が配置されており、一方、最下側には厚肉プリフォーム箔２０ｂの金属箔１２が最下側金属箔１２ｂとして配置されている。

次いで、接合工程Ｓ４において、最終積層体３０Ｄ（詳述すると、最終積層体３０Ａを形成する全ての箔（即ち、全てのプリフォーム箔２０、２０ｂ及び最上側金属箔１２ａ））を非酸化雰囲気又は真空中にて金属箔１２の溶融温度よりも低い温度で拡散接合により接合一体化する。

本第４実施形態におけるその他の構成は、上記第１及び第２実施形態と同じである。

以上で、本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々に変更可能である。

また本発明では、最外側金属層の外面に、チタン、ステンレス鋼、ニッケル等を貼り合わせることで外面について耐腐食性を向上させても良いし、亜鉛等を貼り合わせることで外面についてメッキ性を向上させても良い。

次に、本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に説明する。

＜実施例＞
図１に示した上記第１実施形態の金属と炭素繊維との複合材１Ａを、以下の手順で製造した。

炭素繊維４０として炭素繊維ミルドファイバー（日本グラファイトファイバー（株）製：ＸＮ−１００）１０ｇとメタノール５０ｍｌと分散剤としてポリビニルアセトアミド（昭和電工（株）製：ＰＮＶＡ（登録商標））０．２ｇとをミキサーにより混合分散し、炭素繊維分散液を得た。

また、バインダー樹脂４１としてポリオキシエチレン（明成化学工業（株）製：アルコックス（登録商標）Ｅ−４５）とその溶剤４２とを質量比０．２：１で混合した混合液２ｇを、炭素繊維分散液に添加して撹拌混合し、これにより、塗料液としての混合物４５を得た。溶剤４２としてはメタノール−水（体積比１：１）溶液を用いた。

次いで、金属箔として厚さ１５μｍのアルミニウム箔（材質：ＪＩＳ合金記号Ａ１Ｎ３０）１２の条材１２Ａの上面上にその全面に亘って混合物４５を１００ｇ／ｍ^２の付着量で層状に付着（塗布）させ、これにより、混合物層１３がアルミニウム箔１２の上面上に形成されたプリフォーム箔２０の条材２０Ａを得た。なお、このアルミニウム箔１２の融点は６８０℃である。そして、プリフォーム箔２０の条材２０Ａの混合物層１３を乾燥温度１００℃×乾燥時間１０ｍｉｎの条件で乾燥させ、その結果、乾燥後の混合物層１３の付着量が約２０ｇ／ｍ^２になった。

次いで、プリフォーム箔２０の条材２０Ａから方形状のプリフォーム箔（その寸法：縦５０ｍｍ及び横５０ｍｍ）２０を複数切り出した。そして、プリフォーム箔２０を同じ向きにして上下方向に８０枚積層してプリフォーム箔積層体２５を形成するとともに、混合物層１３が形成されていない厚さ３０μｍのアルミニウム箔（材質：Ａ１Ｎ３０）１２を最上側アルミニウム箔１２ａとしてプリフォーム箔積層体２５の上面に対して積層し、且つ、混合物層１３が形成されていない厚さ１５μｍのアルミニウム箔（材質：Ａ１Ｎ３０）１２を最下側アルミニウム箔１２ｂとしてプリフォーム箔積層体２５の下面に対して積層した。これにより、アルミニウム箔１２と混合物層１３との最終積層体３０Ａを得た。

そして、放電プラズマ焼結装置６０を用いて最終積層体３０Ａ（詳述すると、最終積層体３０Ａを形成する全ての箔（即ち、全てのプリフォーム箔１２、最上側アルミニウム箔１２ａ及び最下側アルミニウム箔１２ｂ））を真空中にて放電プラズマ焼結法により接合一体化し、これにより、金属と炭素繊維との複合材１Ａを製造した。この際の接合条件は、接合温度５５０℃、接合時間３ｈ、最終積層体３０Ａへの加圧力３０ＭＰａ、真空度１０Ｐａである。

得られた複合材１Ａの特性は、比重２．５４、積層方向に対し垂直方向の熱伝導率３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、積層方向に対し垂直方向の線膨張係数１．６×１０^−６／Ｋであった。

そして、得られた複合材１Ａについて機械的強度を評価するため、複合材１Ａの上面１ａを金属へらで擦ったところ、上面１ａに傷は付いたが最上側アルミニウム層２ａは破壊されず表面欠陥は生じなかった。したがって、複合材１Ａの上面１ａの機械的強度が高いことを確認し得た。

＜比較例＞
上記実施例と同じ方法で製作したプリフォーム箔２０の条材２０Ａからプリフォーム箔２０を複数切り出した。そして、プリフォーム箔２０を同じ向きにして上下方向に８０枚積層するとともに、混合物層１３が形成されていない厚さ１５μｍのアルミニウム箔（材質：Ａ１Ｎ３０）１２を最上側アルミニウム箔１２ａとしてプリフォーム箔積層体２５の上面に対して積層し、一方、プリフォーム箔積層体２５の下面に対しては何ら積層しなかった。これにより、アルミニウム箔と混合物層との最終積層体を得た。

次いで、最終積層体を上記実施例と同じ接合条件で放電プラズマ焼結法により接合一体化し、これにより、金属と炭素繊維との複合材を製造した。

得られた複合材の特性は、比重２．５３、積層方向に対し垂直方向の熱伝導率３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、積層方向に対し垂直方向の線膨張係数１．６×１０^−６／Ｋであった。

そして、得られた複合材について機械的強度を評価するため、複合材の上面を金属へらで擦ったところ、上面に傷による穴が開いてこの穴から炭素繊維が露出した。したがって、複合材の上面の機械的強度は弱いことを確認し得た。

本発明は、金属と炭素繊維との複合材及びその製造方法に利用可能である。

１Ａ〜１Ｄ：金属と炭素繊維との複合材
２：金属層
２ａ：最上側金属層（最外側金属層）
２ｂ：最下側金属層（最外側金属層）
２ｃ：内側金属層
３：炭素繊維層
１２：金属箔
１２ａ：最上側金属箔（最外側金属箔）
１２ｂ：最下側金属箔（最外側金属箔）
１３：混合物層
２０：プリフォーム箔
２５：プリフォーム箔積層体
３０Ａ〜３０Ｄ：金属箔と混合物層との最終積層体
４０：炭素繊維
４１：バインダー
４２：溶剤
４５：混合物
５０：塗工装置
６０：放電プラズマ焼結装置

［６］ 前記金属箔は銅箔であり、
前記内側金属箔の厚さは１５μｍ以下であり、
前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記混合物層に隣接して配置される最外側金属箔の厚さは２０μｍ以上であり、
前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記金属箔に隣接して最外側金属箔が配置される場合には、当該最外側金属箔の厚さは、前記隣接する金属箔の厚さとの合計厚さが２０μｍ以上になるように設定されている前項４記載の金属と炭素繊維との複合材の製造方法。

炭素繊維層３を形成する炭素繊維４０（図２Ｂ参照）は、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維及びカーボンナノチューブ類（例えば、気相成長カーボンナノファイバー、シングルウォールカーボンナノファイバー、マルチウォールカーボンナノチューブ）からなる群より選択される１種の繊維径０．１ｎｍ〜２０μｍ及び繊維長０．５μｍ〜１．０ｍｍの短炭素繊維であるか又は２種以上の繊維径０．１ｎｍ〜２０μｍ及び繊維長０．５μｍ〜１．０ｍｍの混合短炭素繊維であることが望ましい。特に、ＰＡＮ系炭素繊維及びピッチ系炭素繊維についてはチョップドファイバー又はミルドファイバーであって繊維径５〜１５μｍ及び繊維長５０μｍ〜１ｍｍのものであることが望ましく、更に、気相成長カーボンナノファイバーについては繊維径０．１ｎｍ〜２０μｍ及び繊維長０．５μｍ〜１ｍｍのものであることが望ましく、こうすることにより、炭素繊維４０がバインダー４１及び溶剤４２と混合された混合物４５を確実に塗料液化することができる。

金属箔１２がアルミニウム箔である場合には、接合温度は４５０〜６００℃、接合時間（即ち接合温度の保持時間）は１０〜３００ｍｉｎ、最終積層体３０Ａへの加圧力は１０〜４０ＭＰａの範囲に設定されるのが良い。金属箔１２が銅箔である場合には、接合温度は８００〜１０００℃、接合温度の保持時間は１０〜３００ｍｉｎ、最終積層体３０Ａへの加圧力は１０〜４０ＭＰａの範囲に設定されるのが良い。

Claims (7)

1. 金属層と炭素繊維層が交互に且つ積層方向の両最外側にそれぞれ金属層が配置される態様にして複数積層されるとともに、これらの層が拡散接合により接合一体化されたものであり、
   前記最外側金属層の厚さは、前記両最外側金属層の間に配置された内側金属層の厚さよりも厚く設定されていることを特徴とする金属と炭素繊維との複合材。
2. 前記金属層はアルミニウムで形成されており、
   前記内側金属層の厚さは２０μｍ以下であり、
   前記最外側金属層の厚さは３０μｍ以上である請求項１記載の金属と炭素繊維との複合材。
3. 前記金属層は銅で形成されており、
   前記内側金属層の厚さは１５μｍ以下であり、
   前記最外側金属層の厚さは２０μｍ以上である請求項１記載の金属と炭素繊維との複合材。
4. 炭素繊維がバインダー及び溶剤と混合された混合物を金属箔上に層状に付着させて、金属箔上に混合物層が形成されたプリフォーム箔を得る混合物付着工程と、
   前記プリフォーム箔を複数積層してプリフォーム箔積層体を形成するとともに、積層方向の両最外側にそれぞれ金属箔が配置されるように、前記プリフォーム箔又は前記混合物層が形成されていない金属箔を前記プリフォーム箔積層体の積層方向の少なくとも片面に対して積層して、金属箔と混合物層との最終積層体を形成する積層体形成工程と、
   前記最終積層体を非酸化雰囲気又は真空中にて前記金属箔の溶融温度よりも低い温度で拡散接合により接合一体化する接合工程と、を具備しており、
   前記積層体形成工程では、前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記混合物層に隣接して配置される最外側金属箔の厚さが、両最外側金属箔の間に配置される内側金属箔の厚さよりも厚く設定されていることを特徴とする金属と炭素繊維との複合材の製造方法。
5. 前記金属箔はアルミニウム箔であり、
   前記内側金属箔の厚さは２０μｍ以下であり、
   前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記混合物層に隣接して配置される最外側金属箔の厚さは３０μｍ以上であり、
   前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記金属箔に隣接して最外側金属箔が配置される場合には、当該最外側金属箔の厚さは、前記隣接する金属箔の厚さとの合計厚さが３０μｍ以上になるように設定されている請求項４記載の金属と炭素繊維との複合材の製造方法。
6. 前記金属箔は銅箔であり、
   前記内側金属箔の厚さは１５μｍ以下であり、
   前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記混合物に隣接して配置される最外側金属箔の厚さは２０μｍ以上であり、
   前記最終積層体における前記プリフォーム箔の前記金属箔に隣接して最外側金属箔が配置される場合には、当該最外側金属箔の厚さは、前記隣接する金属箔の厚さとの合計厚さが２０μｍ以上になるように設定されている請求項４記載の金属と炭素繊維との複合材の製造方法。
7. 前記積層体形成工程の前に、前記プリフォーム箔の前記混合物層を乾燥させる乾燥工程を更に具備している請求項４〜６のいずれかに記載の金属と炭素繊維との複合材の製造方法。

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