JP2018188711A - 金属−炭素粒子複合材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複合材全体の平面方向の物性の異方性が緩和された金属−炭素粒子複合材及びその製造方法を提供すること。【解決手段】金属−炭素粒子複合材２０は、金属マトリックス２１からなる金属層Ｂと金属マトリックス２１中に炭素粒子１が分散した炭素粒子分散層Ｃとが交互に複数積層した状態に接合一体化されたものである。複数の炭素粒子分散層Ｃのうち少なくとも一つの炭素粒子分散層Ｃの炭素粒子１の配向方向Ｅが他の少なくとも一つの炭素粒子分散層Ｃの炭素粒子１の配向方向Ｅと相異している。【選択図】図１

Description

本発明は、金属マトリックスと金属マトリックス中に分散した炭素粒子とを含む金属−炭素粒子複合材、その製造方法及び冷却器に関する。

なお、本発明に係る金属−炭素粒子複合材の上下方向は限定されるものではないが、本明細書では、複合材の構成を理解し易くするため、複合材の厚さ方向及び積層体の厚さ方向をそれぞれ複合材の上下方向及び積層体の上下方向と定義する。

金属−炭素粒子複合材は一般に高い熱伝導性と低い線膨張性を有している。この種の複合材の製造方法を開示した文献として、特許第５１５０９０５号公報（特許文献１）、特許第４４４１７６８号公報（特許文献２）及び特開２００６−１２３２号公報（特許文献３）がある。

特許第５１５０９０５号公報は、シート状又はフォイル状の金属支持体上に炭素粒子としての炭素繊維を含有する皮膜が形成されたプリフォームを形成し、これを複数積み重ねて積層体を形成し、積層体を加熱圧接することでプリフォーム同士を一体化させることにより、金属−炭素粒子複合材としての金属基炭素繊維複合材を製造する方法を開示している。この方法では、得られる複合材において熱伝導率が高くなるのは炭素繊維が配向した一方向のみである。

特許第４４４１７６８号公報は、鱗状黒鉛粉末と所定の鱗状金属粉末との混合体を用いて焼結前駆体を形成し、焼結前駆体を加圧しながら焼結することにより、金属−炭素粒子複合材としての金属−黒鉛複合材を製造する方法を開示している。この方法では、製造時において金属粉末の取り扱いが難しいし、製造コストが高いという問題がある。

特開２００６−１２３２号公報は、結晶系カーボン材層と金属層とが積層され複合化された複合体をホットプレス焼結することにより、金属−炭素粒子複合材としての高熱伝導・低熱膨張複合材を製造する方法を開示している。この方法では、複合体の焼結が難しく、そのため、接合が不十分で接合界面のずれが生じやすいと考えられる。

金属−炭素粒子複合材を開示したその他の文献として、特開２０１５−２５１５８号公報（特許文献４）及び特開２０１５−２１７６５５号公報（特許文献５）がある。

而して、上記特許第５１５０９０５号公報に開示された製造方法で得られる金属−炭素粒子複合材は、金属マトリックスからなる金属層と金属マトリックス中に炭素繊維（炭素粒子として）が分散した炭素繊維分散層（炭素粒子分散層として）とが交互に複数積層した状態に接合一体化されたものである。

ここで以下では、金属−炭素粒子複合材において、金属層と炭素粒子分散層との積層方向を複合材の厚さ方向（即ち複合材の上下方向）と定義する。また、複合材の厚さ方向に対して垂直な面を複合材の「平面」とし、複合材の厚さ方向に対して垂直な面方向を複合材の「平面方向」とする。

特許第５１５０９０５号公報 特許第４４４１７６８号公報 特開２００６−１２３２号公報 特開２０１５−２５１５８号公報 特開２０１５−２１７６５５号公報

上記特許第５１５０９０５号公報の金属−炭素粒子複合材では、各炭素繊維分散層の炭素繊維の繊維軸方向が複合材の平面内で全て一方向に揃っている場合、複合材の物性（例：熱伝導率、線膨張係数）が複合材の平面内における炭素繊維の配向方向とその直角方向とで大きく相異する。そのため、複合材が加熱されたときに複合材が歪み易いという難点があった。

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、複合材全体の平面方向の物性の異方性が緩和された金属−炭素粒子複合材及びその製造方法を提供すること、並びに、温度変化に対して高い信頼性を有する冷却器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］ 金属マトリックスからなる金属層と前記金属マトリックス中に炭素粒子が分散した炭素粒子分散層とが交互に複数積層した状態に接合一体化されており、
前記複数の炭素粒子分散層のうち少なくとも一つの前記炭素粒子分散層の炭素粒子の配向方向が他の少なくとも一つの前記炭素粒子分散層の炭素粒子の配向方向と相異している、金属−炭素粒子複合材。

［２］ 前記金属層と前記炭素粒子分散層は、複合材の厚さ方向において前記炭素粒子分散層の炭素粒子の配向方向が規則的に変化するように交互に複数積層された状態に配列している前項１記載の金属−炭素粒子複合材。

［３］ 前記金属マトリックスがアルミニウムマトリックスである前項１又は２記載の金属−炭素粒子複合材。

［４］ 発熱体を冷却する冷却器であって、
積層状に接合一体化された複数の冷却器構成層を備え、
前記複数の構成層のうち少なくとも一つが前項１〜３のいずれかに記載の金属−炭素粒子複合材製である、冷却器。

［５］ 炭素粒子を含む塗工液を金属箔の塗工予定表面に塗工することにより前記金属箔の前記塗工予定表面に炭素粒子層が形成された塗工箔を得る工程と、
前記塗工箔を裁断して素材箔を得る工程と、
前記素材箔を複数積層して積層体を形成する工程と、
前記積層体を焼結する工程と、を備え、
前記積層体を形成する工程では、前記複数の素材箔を、少なくとも一つの前記素材箔における前記塗工液の塗工方向が他の少なくとも一つの前記素材箔における前記塗工液の塗工方向と相異するように積層する、金属−炭素粒子複合材の製造方法。

［６］ 前記積層体を形成する工程では、前記素材箔を、前記積層体の厚さ方向において前記素材箔における前記塗工液の塗工方向が規則的に変化するように複数積層する前項５記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。

［７］ 前記積層体を形成する工程では、前記素材箔を複数積層して第１積層体を形成し、その後、前記第１積層体を裁断して第２積層体を得、
前記積層体を焼結する工程では、前記積層体としての前記第２積層体を焼結する前項５又は６記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。

［８］ 前記金属箔がアルミニウム箔である前項５〜７のいずれかに記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。

本発明は以下の効果を奏する。

前項［１］によれば、金属−炭素粒子複合材において、複数の炭素粒子分散層のうち少なくとも一つの炭素粒子分散層の炭素粒子の配向方向が他の少なくとも一つの炭素粒子分散層の炭素粒子の配向方向と相異していることにより、複合材全体の平面方向の物性の異方性を緩和することができる。

前項［２］では、金属層と炭素粒子分散層は、複合材の厚さ方向において炭素粒子分散層の炭素粒子の配向方向が規則的に変化するように交互に複数積層された状態に配列していることにより、複合材全体の平面方向の物性の異方性を確実に緩和することができる。

前項［３］では、金属マトリックスがアルミニウムマトリックスであることにより、複合材の軽量化を図ることができるし、複合材の加工性を高めることができる。

前項［４］では、冷熱サイクル等の温度変化に対して高い信頼性を有する冷却器を提供できる。

前項［５］によれば、積層体を形成する工程では、複数の素材箔を、少なくとも一つの素材箔における塗工液の塗工方向が他の少なくとも一つの素材箔における塗工液の塗工方向と相異するように積層することにより、得られる複合材全体の平面方向の物性の異方性を緩和することができる。

前項［６］では、得られる複合材全体の平面方向の物性の異方性を確実に緩和することができる。

前項［７］では、第１積層体を裁断して第２積層体を得るので、平面方向の断面積が小さな積層体を容易に得ることができる。そして、この第２積層体を焼結することにより、平面方向の断面積が小さな複合材を容易に得ることができる。

前項［８］では、得られる複合材の軽量化を図ることができるし、複合材の加工性を高めることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の概略断面図である。 図２は、同複合材の製造方法を示す流れ図である。 図３は、塗工箔を得る工程を説明する概略図である。 図４Ａは、グラビアロールの周面における格子型セルの配列状態を示す平面図である。 図４Ｂは、図４Ａの格子型セルの形状を示す斜視図である。 図５Ａは、グラビアロールの周面におけるピラミッド型セルの配列状態を示す平面図である。 図５Ｂは、図５Ａのピラミッド型セルの形状を示す斜視図である。 図６Ａは、グラビアロールの周面における亀甲型セルの配列状態を示す平面図である。 図６Ｂは、図６Ａの亀甲型セルの形状を示す斜視図である。 図７Ａは、グラビアロールの周面における円型セルの配列状態を示す平面図である。 図７Ｂは、図７Ａの円型セルの形状を示す斜視図である。 図８Ａは、セルの底面が平坦状である場合のセルの側面図である。 図８Ｂは、セルの底面が凹曲面状である場合のセルの側面図である。 図８Ｃは、セルの底面が凹錐面状である場合のセルの側面図である。 図９は、セルの内周側面に連絡口が設けられている場合のセルの斜視図である。 図１０は、塗工箔を裁断して複数の素材箔を得る工程を説明する概略図である。 図１１は、素材箔を複数積層して積層体を形成する工程を説明する概略図である。 図１２は、積層体を焼結する工程を説明する概略図である。 図１３は、積層体を加熱する時の昇温曲線の一例を示す図（グラフ）である。 図１４は、同複合材の概略斜視図である。 図１５は、冷却器の概略側面図である。 図１６は、積層体を形成する工程における素材箔の積層方向の配列の幾つかの例を示す概略図である。 図１７は、図１６に付された符号の素材箔を示す概略平面図である。 図１８は、複合材の炭素繊維分散層の積層方向の配列の幾つかの例を示す概略図である。 図１９は、第１積層体を裁断して複数の第２積層体を得る場合を説明する概略図である。

次に、本発明の幾つか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、本発明の一実施形態に係る金属−炭素粒子複合材（金属−炭素粒子複合体）２０は、金属マトリックス（ドットハッチングで示す）２１からなる金属層Ｂと、金属マトリックス２１中に炭素粒子としての炭素繊維１が分散した炭素粒子分散層としての炭素繊維分散層Ｃとが交互に複数積層した状態に接合一体化されて形成されたものである。炭素繊維１は各炭素繊維分散層Ｃ中に多数分散している。

複合材２０において、複数の炭素繊維分散層Ｃのうち、符号「Ｃ１」が付された炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の配向方向Ｅは、複合材２０の長さ方向（即ち図１の紙面の左右方向）である。符号「Ｃ２」が付された炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の配向方向Ｅは、炭素繊維分散層Ｃ１の炭素繊維１の配向方向Ｅと相異する方向であり、詳述すると複合材２０の幅方向（即ち図１の紙面に垂直な方向）である。金属層Ｂと炭素繊維分散層Ｃとの積層方向である複合材２０の厚さ方向は、複合材２０の上下方向（即ち図１の紙面の上下方向）と一致している。

複合材２０では、複数の炭素繊維分散層Ｃのうち少なくとも一つの炭素繊維分散層Ｃ１の炭素繊維１の配向方向Ｅは他の少なくとも一つの炭素繊維分散層Ｃ２の炭素繊維１の配向方向Ｅと相異している。これにより、複合材全体の平面方向の物性（特に熱特性）の異方性が緩和されている。なお熱特性には熱伝導率（熱伝導性）、線膨張係数（線熱膨張性）等が含まれる。

詳述すると、複合材２０において、金属層Ｂと炭素繊維分散層Ｃは、複合材２０の厚さ方向（即ち複合材２０の上下方向）において炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の配向方向Ｅが規則的に変化するように交互に複数積層された状態に配列している。さらに詳述すると、金属層Ｂと炭素繊維分散層Ｃは、複合材２０の厚さ方向において炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の配向方向Ｅが平面視で時計回り（又は反時計回り）に９０°ずつ変化するように交互に複数積層された状態に配列している。これにより、複合材２０では複合材全体の平面方向の物性の異方性が確実に緩和されている。

ここで、炭素粒子分散層の炭素粒子の配向方向とは炭素粒子分散層の炭素粒子の最長軸の配向方向を意味している。したがって、炭素粒子が本実施形態のように炭素繊維１である場合、炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の配向方向Ｅとは炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の繊維軸の配向方向を意味している。

次に、本実施形態の複合材２０の製造方法について以下に説明する。

複合材２０の製造方法は、図２に示すように、塗工箔を得る工程Ｓ１と、素材箔を得る工程Ｓ２と、積層体を形成する工程Ｓ３と、積層体を焼結する工程Ｓ４とを含んでおり、この記載の順にこれらの工程が行われる。

塗工箔を得る工程Ｓ１は、図３に示すように、炭素粒子としての炭素繊維１を含む塗工液５を長尺な帯状金属箔１０（即ち金属箔１０の条材）の塗工予定表面１０ａに一方向に連続的に層状に塗工することにより、金属箔１０の塗工予定表面１０ａに炭素繊維層１１が形成（塗工）された長尺な帯状塗工箔１２（即ち塗工箔１２の条材）を得る工程である。本実施形態では、塗工液５の塗工方向Ｄは金属箔１０の長さ方向である。

金属箔１０の塗工予定表面１０ａは、金属箔１０の厚さ方向の両側の表面のうち少なくとも一方の片側の表面である。本実施形態では、塗工予定表面１０ａは金属箔１０の厚さ方向の一方の片側の表面であり、詳述すると金属箔１０の上表面である。

塗工液５は、上述したように炭素繊維１を含むものであり、更にバインダー２とバインダー２用溶剤３とを混合状態に含んでいる。

塗工箔を得る工程Ｓ１は、更に、金属箔１０の塗工予定表面１０ａに形成された炭素繊維層１１から溶剤３を除去する工程Ｓ１ａを含んでいる（図２参照）。

素材箔を得る工程Ｓ２は、図１０に示すように、塗工箔１２を所定の形状に裁断することにより塗工箔１２から素材箔１３を切り出す工程である。すなわち、素材箔１３は、塗工箔１２を裁断した裁断片からなるものである。素材箔１３の形状は例えば円形状である。

積層体を形成する工程Ｓ３は、図１１に示すように、素材箔１３を複数積層して積層体１５を形成する工程である。

積層体１５を焼結する工程Ｓ４では、図１２に示すように、積層体１５を積層体１５の厚さ方向に加圧しながら加熱することにより積層体１５を焼結し、これにより素材箔１３を焼結一体化する。この工程Ｓ４は、積層体１５を加熱することにより積層体１５からバインダー２を除去する工程Ｓ４ａを含んでいる（図２参照）。

次に、各工程について以下に詳細に説明する。

＜塗工箔１２を得る工程Ｓ１＞
図３に示すように、本工程Ｓ１で使用される塗工液５は、上述したように炭素繊維１とバインダー２と溶剤３とを混合状態に含むものであり、例えば次のようにして得られる。

多数の炭素繊維１とバインダー２と溶剤３とを混合容器７内に入れてこれらを撹拌器８により撹拌混合する。これにより、炭素繊維１とバインダー２と溶剤３とを混合状態に含有した塗工液５が得られる。なお必要に応じて、分散剤、消泡剤、表面調整剤、粘度調整剤などを更に混合容器７内に入れて撹拌混合することで塗工液５にこれらを添加しても良い。

撹拌器８は限定されるものではなく、撹拌羽根付き撹拌器、プラネタリーミキサー、ホモディスパー、ビーズミルなどを使用可能である。

炭素繊維１、バインダー２及び溶剤３についての具体的な説明は後述する。

塗工液５を金属箔１０の塗工予定表面１０ａに塗工するための塗工方法は、限定されるものではない。好ましくは、塗工液５の塗工は、同図に示すように、金属箔１０を巻き出す巻出しロール３７ａと金属箔１０を巻き取る巻取りロール３７ｂとを用いたロールｔｏロール方式により行われる。

巻出しロール３７ａと巻取りロール３７ｂとの間には、塗工装置としてのグラビア塗工装置（例：グラビアコーター）３０と乾燥装置としての乾燥炉３８とが金属箔１０の送り方向Ｆに並んで設置されている。

グラビア塗工装置３０は、詳述するとダイレクトグラビア塗工装置（例：ダイレクトグラビアコーター）であり、グラビアロール３１、バックアップロール３３、グラビアロール３１の周面３１ａに塗工液５を付着させる塗工液付着手段３５などを備えている。

グラビアロール３１の周面３１ａにはその全体に亘って多数のセル（凹部）３２が整然と配列して設けられている（図４Ａ、５Ａ、６Ａ及び７Ａ参照）。隣り合うセル３２間には隔壁部３１ｂが形成されており、この隔壁部３１ｂによって各セル３２が仕切られている。バックアップロール３３は、グラビアロール３１に対向して配置されている。

グラビアロール３１の回転方向は、通常、金属箔１０の送り方向Ｆと同じ方向に設定される。グラビアロール３１の周速度は、通常、金属箔１０の送り速度と等しく設定される。

塗工液付着手段３５は、塗工液５を収容した塗工液パン（図示せず）を備えたものであり、グラビアロール３１の周面３１ａの周方向の一部がパン内の塗工液５に接触した状態でグラビアロール３１がその中心軸を中心に回転することにより、グラビアロール３１の周面３１ａに塗工液５が付着されるように構成されている。パン内の塗工液５中の炭素繊維１はその繊維軸方向がランダムになるように塗工液５中に分散している。

乾燥炉３８は、金属箔１０の塗工予定表面１０ａに形成された炭素繊維層１１を加熱乾燥することにより炭素繊維層１１中に含まれている溶剤３を炭素繊維層１１から蒸発除去するためのものである。

図３に示したグラビア塗工装置３０は上述したようにロールｔｏロール方式のものである。このグラビア塗工装置３０では、巻出しロール３７ａから巻き出された金属箔１０は、グラビアロール３１とバックアップロール３３との間と、乾燥炉３８内とを所定の送り速度で略水平方向に順次通過したのち巻取りロール３７ｂに巻き取られる。

金属箔１０の送り方向Ｆは金属箔１０の長さ方向に設定されており、この送り方向Ｆに平行な方向がグラビア塗工装置３０（詳述するとグラビア塗工装置３０のグラビアロール３１）による金属箔１０の塗工予定表面１０ａへの塗工液５の塗工方向Ｄである。また金属箔１０はその塗工予定表面１０ａが上側に向けられた状態で送り方向Ｆに送られる。

グラビアロール３１は金属箔１０の上側（即ち塗工予定表面１０ａ側）に金属箔１０をその幅方向の全体に亘って横断する態様にして配置されている。また、バックアップロール３３は金属箔１０の下側に金属箔１０をその幅方向の全体に亘って横断する態様にして配置されている。

巻出しロール３７ａから巻き出された金属箔１０は、グラビア塗工装置３０のグラビアロール３１とバックアップロール３３との間を通過する際に、グラビアロール３１によって金属箔１０の塗工予定表面１０ａに塗工液５が金属箔１０の長さ方向に連続的に塗工される。

すなわち、グラビアロール３１が回転することにより、グラビアロール３１の周面３１ａに塗工液付着手段３５により塗工液５が付着して各セル３２内に入る。そして、グラビアロール３１の回転に伴い、グラビアロール３１の周面３１ａに付着した余分な塗工液５がドクターブレード（スクレーパ）３４により掻き取られる。その後、グラビアロール３１の周面３１ａが金属箔１０の塗工予定表面１０ａに当接することによりセル３２内の塗工液５が金属箔１０の塗工予定表面１０ａ上に転写塗工されて、当該転写塗工された塗工液５からなる炭素繊維層１１が塗工予定表面１０ａ上に形成される。これにより、金属箔１０の塗工予定表面１０ａ上に炭素繊維層１１が形成された長尺な帯状塗工箔１２（即ち塗工箔１２の条材）が得られる。

グラビア塗工装置３０のグラビアロール３１において、セル３２の形状は例えばカップ状であってセル３２の周囲が全周に亘って略閉鎖された形状である。

具体的にはセル３２の形状は、格子型３２Ａ（図４Ａ及びＡＢを見よ）、ピラミッド型３２Ｂ（図５Ａ及び５Ｂを見よ）、亀甲型３２Ｃ（図６Ａ及び６Ｂを見よ）及び円型３２Ｄ（図７Ａ及び７Ｂを見よ）からなる群より選択される少なくとも一つであることが望ましい。

格子型セル３２Ａは、図４Ａ及び４Ｂに示すように四角錐台状に凹んで形成されている。

ピラミッド型セル３２Ｂは、図５Ａ及び５Ｂに示すように四角錐状に凹んで形成されている。

亀甲型セル３２Ｃ、は図６Ａ及び６Ｂに示すように六角錐台状に凹んで形成されている。

円型セル３２Ｄは、図７Ａ及び７Ｂに示すように円錐台状に凹んで形成されている。

さらに、セル３２（例：格子型、ピラミッド型、亀甲型、円型）の底面３２ｂの形状は限定されるものではなく、例えば、図８Ａに示すように平坦状であっても良いし、図８Ｂに示すように凹曲面状（例：凹球面状）であっても良いし、図８Ｃに示すように凹錐面状（例：凹角錐面状、凹円錐面状）であっても良いし、更に、これらの形状のうち少なくとも二つが組み合わされた形状であっても良い。

さらに本実施形態では、セル３２は、セル３２の周囲が全周に亘って完全に閉鎖された形状であることが望ましいが、これに限定されるものではなく、図９に示すように、セル３２の内周側面３２ａの一部に、セル３２内の塗工液５の一部が隣りのセル３２内へ流れうるようにするための小さな連絡口３２ｃが形成された形状であっても良い。

セル３２の大きさは、セル３２内に平均繊維長の炭素繊維１がセル３２の開口面と略平行な状態で入るのに十分な大きさであり、且つ、セル３２内に入った平均繊維長の炭素繊維１がセル３２内でセル３２の内周方向に３６０°回転可能な大きさであることが望ましい。具体的には、セル３２の口形状に内接する円Ｎ（詳述するとセル３２の開口周縁３２ｄに内接する円Ｎ）の直径Ｗは炭素繊維１の平均繊維長よりも大きければ特に限定されるものではないが、炭素繊維１の平均繊維長に対して１．２倍以上に設定されていることが望ましい。

なお、図４Ａ、５Ａ及び６Ａではセル３２の口形状に内接する円Ｎは二点鎖線で示されており、図７Ａではセル３２の口形状に内接する円Ｎはセル３２の開口周縁３２ｄと一致する。

このように、セル３２の形状がカップ状であり、且つ、セル３２の口形状に内接する円Ｎの直径Ｗが炭素繊維１の平均繊維長に対して１．２倍以上に設定されることにより、グラビアロール３１の周面３１ａに塗工液５が付着した時、塗工液５中の炭素繊維１がセル３２内に確実に入る。そして、セル３２内の塗工液５がグラビアロール３１の回転に伴い金属箔１０の塗工予定表面１０ａに転写塗工される。その結果、炭素繊維層１１が金属箔１０の塗工予定表面１０ａ上に形成される。

セル３２の口形状に内接する円Ｎの直径Ｗの上限については限定されるものではなく、例えば２５００μｍである。

セル３２の開口周縁３２ｄの形状が正方形状（例：格子型３２Ａ、ピラミッド型３２Ｂ）である場合は、セル３２の口形状に内接する円Ｎの直径Ｗは、セル３２の形状が亀甲型３２Ｃや円型３２Ｄである場合よりも大きい方が望ましく、特に炭素繊維１の平均繊維長に対して１．５倍以上であることが非常に望ましい。

炭素繊維１は繊維状の炭素粒子であれば使用可能であり、具体的には例えば、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維及びカーボンナノファイバー（例：気相成長カーボンファイバー、カーボンナノチューブ）からなる群より選択される一種の炭素繊維か又は２種以上の混合炭素繊維が用いられる。

ＰＡＮ系炭素繊維及びピッチ系炭素繊維のうち特にピッチ系炭素繊維を用いることが望ましい。その理由は、ピッチ系炭素繊維の繊維軸方向の熱伝導率がＰＡＮ系炭素繊維のそれよりも大きく、そのためより高い熱伝導率を有する複合材２０を得られるからである。

炭素繊維１の長さは限定されるものではない。炭素繊維１の平均繊維長の上限は例えば１ｍｍであり、その下限は例えば１０μｍである。

炭素繊維１の繊維直径は限定されるものではなく、炭素繊維１の平均繊維直径は例えば０．１ｎｍ〜２０μｍである。炭素繊維１がＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維である場合は、炭素繊維１は例えばチョップドファイバーやミルドファイバーであってその平均繊維直径は例えば５μｍ〜１５μｍである。炭素繊維１が気相成長カーボンナノファイバーである場合は、炭素繊維１の平均繊維直径は例えば０．１ｎｍ〜２０μｍである。

バインダー２は、炭素繊維１に金属箔１０の塗工予定表面１０ａへの付着力を付与し、これにより炭素繊維層１１中の炭素繊維１が金属箔１０の塗工予定表面１０ａから脱落するのを抑制するためのものであり、通常、樹脂からなる。

さらに、バインダー２は、非酸化雰囲気中にて２００℃〜４５０℃の温度で炭化せずに昇華又は分解などにより消失するものを用いることが望ましい。そのようなバインダー２として、アクリル系樹脂、ポリエチレングリコール系樹脂、ブチレンゴム樹脂、フェノール樹脂、セルロース系樹脂などが好適に使用される。これらのバインダー２は一般に常温で固形である。

溶剤３は、バインダー２を常温で溶解するものであることが望ましく、水、アルコール系溶剤、炭化水素系溶剤、エステル系溶剤、エーテル系溶剤などが好適に使用される。

塗工液５は、炭素繊維１とバインダー２を質量比で７５：２５〜９９．５：０．５の割合で含有していることが望ましい。この場合には、塗工箔１２を得る工程Ｓ１において炭素繊維１を金属箔１０の塗工予定表面１０ａに確実に付着させることができるし、バインダー２を除去する工程Ｓ４ａにおいてバインダー２を確実に消失除去することができる。特に望ましくは、塗工液５は炭素繊維１とバインダー２を質量比で８０：２０〜９９：１の割合で含有していることが良い。

塗工箔１２を得る工程Ｓ１では、炭素繊維層１１に含まれる炭素繊維１の塗工量が４０ｇ／ｍ^２以下になるように塗工液５を金属箔１０の塗工予定表面１０ａに塗工することが望ましい。その理由は次のとおりである。

すなわち、炭素繊維層１１に含まれる炭素繊維１の塗工量が４０ｇ／ｍ^２以下になるように塗工液５を金属箔１０の塗工予定表面１０ａに塗工する場合には、積層体１５を焼結する工程Ｓ４において金属箔１０の金属が炭素繊維層１１内の空隙の略全部に十分に浸透するとともに積層体１５が確実に焼結される。これにより、複合材２０の強度（機械的強度等）を確実に高めることができる。さらに、複合材２０の製造時間を短縮化するため、炭素繊維層１１に含まれる炭素繊維１の塗工量は３０ｇ／ｍ^２以下であることが特に望ましい。

また、得られる複合材２０において炭素繊維１の体積が複合材２０全体の体積に対して５０％未満になるように、塗工液５を金属箔１０の塗工予定表面１０ａに塗工することが望ましく、これにより、積層体１５を焼結する工程Ｓ４において金属箔１０の金属を炭素繊維層１１内に確実に浸透させることができて、積層体１５を確実に強固に焼結することができる。

金属箔１０は、塗工に耐えうるものであればその材料に限定されるものではない。特に、金属箔１０はアルミニウム箔及び銅箔のうち少なくとも一方であることが望ましい。その理由は、高い熱伝導率を有する複合材２０を確実に得られるからである。

金属箔１０がアルミニウム箔である場合において、アルミニウム箔の材料は限定されるものではなく、Ａ１０００系、Ａ３０００系、Ａ６０００系等が用いられる。一般に、アルミニウム箔の材料は、得られる複合材２０の物性（熱伝導率、線膨張係数など）が所望する設定値になるように複数種のアルミニウム材料の中から適宜選択される。金属箔１０がアルミニウム箔である場合には、複合材２０の金属マトリックス２１がアルミニウムマトリックスになる。そのため、複合材２０の軽量化を図ることができるし、複合材２０の加工性を高めることができる。

金属箔１０が銅箔である場合において、銅箔の種類及び材料は限定されるものではなく、電解銅箔、圧延銅箔などが用いられる。一般に、銅箔の材料は、得られる複合材２０の物性（熱伝導率、線膨張係数など）が所望する設定値になるように複数種の銅材料の中から適宜選択される。

金属箔１０の厚さは限定されるものではなく、得られる複合材２０の物性が所望する設定値になるように金属箔１０の厚さを選択可能である。

ここで、市販されている金属箔（アルミニウム箔、銅箔）１０の最薄の厚さは６μｍであることから、金属箔１０の厚さの下限は６μｍであることが金属箔１０を容易に入手可能である点で特に望ましい。金属箔１０の厚さの上限は通常１００μｍであり、特に概ね５０μｍであることが望ましい。

金属箔１０の幅は限定されるものではなく、複合材２０の用途などに応じて設定され、例えば１０ｍｍ〜１２００ｍｍに設定される。

溶剤３を除去する工程Ｓ１ａは、図３に示すように、塗工箔１２が乾燥炉３８内を通過することにより行われる。すなわち、塗工箔１２が乾燥炉３８内を通過した時に炭素繊維層１１が乾燥炉３８により加熱乾燥され、これにより炭素繊維層１１に含まれている溶剤３が炭素繊維層１１から蒸発除去される。その後、塗工箔１２は巻取りロール３７ｂに巻き取られる。

乾燥炉３８による溶剤３の除去条件は、炭素繊維層１１に含まれている溶剤３を炭素繊維層１１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く、通常、乾燥温度６０℃〜２５０℃で乾燥時間１ｍｉｎ〜１２０ｍｉｎである。

さらに、溶剤３を除去した後では炭素繊維層１１内に大きな空隙が生じていることもあるので、押圧ロール（図示せず）で炭素繊維層１１をその厚さ方向に押圧して炭素繊維層１１のかさ密度を高めることも可能である。

＜素材箔１３を得る工程Ｓ２＞
図１０に示すように、素材箔１３を得る工程Ｓ２では、巻取りロール３７ｂから巻き解かれた塗工箔１２を受けダイ（図示せず）で支持した状態で裁断装置４０に備えられた裁断刃（打ち抜きパンチ）４１で所定形状に裁断する（打ち抜く）。これにより、塗工箔１２の裁断片からなる素材箔１３を塗工箔１２から複数切り出す。

図１０中の矢印「Ｄ」は、上述したように塗工箔１２を得る工程Ｓ１における金属箔１０の塗工予定表面１０ａへの塗工液５の塗工方向を示しており、矢印「Ｅ」は上述したように塗工箔１２の炭素繊維層１１の炭素繊維１の配向方向を示している。

炭素繊維１の配向方向Ｅは一般に塗工液５の塗工方向Ｄによって決定されるものであり、炭素繊維１は塗工液５の塗工方向Ｄに対して所定の方向に配向する。本実施形態では、炭素繊維１の配向方向Ｅは塗工液５の塗工方向Ｄと一致している。

なお同図では、塗工箔１２及び素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄを分かり易くするため、塗工箔１２及び素材箔１３の表面には塗工液５の塗工方向Ｄを表示する細線が描かれている。その他の図（図１１、１７及び図１９）でも同じである。

＜積層体１５を形成する工程Ｓ３＞
図１１に示すように、積層体１５を形成する工程Ｓ３では、素材箔１３を複数積層することにより素材箔１３の積層体１５を形成する。積層体１５はプリフォーム（焼結素材）として用いられる。

素材箔１３の積層枚数は限定されるものではなく、所望する複合材２０の厚さなどに応じて設定され、例えば５〜１０００枚に設定される。

素材箔１３の積層順序について以下に説明する。

積層体１５を形成する工程Ｓ３では、複数の素材箔１３を、少なくとも一つの素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄが他の少なくとも一つの素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄと相異するように積層する。望ましくは、素材箔１３を、積層体１５の厚さ方向（即ち積層体１５の上下方向）において素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄが規則的に変化するように複数積層する。

本実施形態では、図１に示した複合材２０を製造するため、素材箔１３を、素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄが交互に直角になるように複数積層する。すなわち、素材箔１３を、積層体１５の厚さ方向において素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄが平面視で時計回り（又は反時計回り）に９０°ずつ変化するように複数積層する。

このように素材箔１３が複数積層されることにより、積層体全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性が小さくなる（詳述すると消失する）ように緩和されている。換言すると、積層体１５では、素材箔１３は、積層体全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性が緩和されるような規則的な配列で複数積層されている。

＜積層体１５を焼結する工程Ｓ４＞
図１２に示すように、積層体１５を焼結する工程Ｓ４では、まず加圧加熱焼結装置などの焼結装置（接合装置）５０の焼結室５１内に積層体１５を配置する。そして、焼結装置５０によって所定の焼結雰囲気中にて積層体１５をその厚さ方向（即ち素材箔１３の積層方向）に加圧しながら所定の焼結温度で加熱することにより積層体１５を焼結し、これにより素材箔１３を焼結一体化する。その結果、図１４に示した複合材２０が得られる。この複合材２０の概略断面図は図１に示されている。

この工程Ｓ４では、積層体１５が上述のように加圧加熱されることにより、炭素繊維層１１がその厚さ方向に圧縮されて金属箔１０の金属の一部が炭素繊維層１１内に浸透して炭素繊維層１１内に存在する微細な空隙（例：炭素繊維層１１中の炭素繊維１間の隙間）に充填されて、当該空隙が略消滅する。これにより、得られる複合材２０の密度を複合材２０の理論密度の９５％以上にすることができる。

なお、複合材２０の理論密度とは、複合材２０が金属箔１０の金属と炭素繊維１とだけで形成されており且つ複合材２０の内部に空隙が全く存在しない場合における複合材２０の密度を意味する。

また、上述したように金属箔１０の金属の一部が炭素繊維層１１内に浸透することによって、各炭素繊維層１１中の炭素繊維１は複合材２０の金属マトリックス２１中に分散した状態になり、即ち積層体１５の各炭素繊維層１１は複合材２０の各炭素繊維分散層Ｃになる。また、積層体１５の各金属箔１０は複合材２０の各金属層Ｂになる。

焼結装置５０としては、ホットプレス装置（例：真空ホットプレス装置）、放電プラズマ焼結装置などが好適に用いられる。

積層体１５への加圧は、例えば、焼結装置５０に備えられた一対の押圧パンチ５２、５２で積層体１５をその厚さ方向の両側から挟んで加圧することにより行われる。

焼結雰囲気は非酸化雰囲気であることが望ましい。非酸化雰囲気は、不活性ガス雰囲気（例：窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気）、真空雰囲気などを含む。

焼結温度とは、積層体１５を焼結する温度を意味する。具体的には焼結温度は、金属箔１０の金属の融点以下の温度に設定され、特に、金属箔１０の金属の融点と当該融点よりも５０℃程度低い温度との間の温度に設定されることが積層体１５を確実に良好に焼結できる点で望ましい。金属箔１０が例えばアルミニウム箔である場合、焼結温度は５５０℃〜６２０℃の範囲に設定されることが望ましい。

積層体１５への加圧力は限定されるものではなく、積層体１５を軽く押圧する程度の加圧力でも良い。さらに、積層体１５への加熱時に積層体１５を加圧すると金属箔１０の金属の流動性が向上することがあるので、積層体１５への加圧により金属箔１０の金属が積層体１５から流れ出ない程度の加圧力で加圧するか、あるいは金属箔１０の金属が積層体１５から流れ出ないように金型（図示せず）内で積層体１５を加圧することが特に望ましい。

もし互いに重なり合う素材箔１３、１３間に空隙が残った状態で積層体１５が焼結されると、当該空隙の部分が複合材２０の内部欠陥になる。そこで、この欠陥の発生を抑制するため、積層体１５を焼結雰囲気として真空雰囲気中にて加圧すること又は／及び積層体１５を金型内にて加圧することが望ましい。

本実施形態では、バインダー２を除去する工程Ｓ４ａは、積層体１５を焼結する工程Ｓ４における積層体１５を初期温度としての約室温から焼結温度まで加熱する途中で焼結装置５０により行われる。この場合におけるバインダー２の除去工程Ｓ４ａを以下に説明する。

図１３は、積層体１５を焼結する工程Ｓ４において積層体１５を加熱する時の温度曲線の一例を示す図（グラフ）である。

同図中のＴ１〜Ｔ２（但し、Ｔ１＜Ｔ２）の温度範囲は、積層体１５の素材箔１３の炭素繊維層１１に含まれているバインダー２が昇華又は分解などにより消失する範囲であり、通常２００℃〜４５０℃である。Ｔ３は焼結温度であり、Ｔ２よりも高い温度である（即ちＴ３＞Ｔ２）。

積層体１５を焼結する工程Ｓ４では、積層体１５の温度が約室温から焼結温度Ｔ３まで上昇するように焼結装置５０により積層体１５を加熱する途中における積層体１５の温度がＴ１〜Ｔ２の範囲内である時に、バインダー２が昇華又は分解などにより消失して積層体１５（詳述すると積層体１５の素材箔１３の炭素繊維層１１）から除去される。

積層体１５の温度がＴ１〜Ｔ２の温度範囲内である時間Δｔは、バインダー２を積層体１５から除去しうる時間であれば限定されるものではなく、焼結装置５０による積層体１５の昇温速度、積層体１５に含まれているバインダー２の全量、積層体１５の厚さ（例：素材箔１３の積層枚数）、焼結雰囲気などに応じて設定されるものであり、通常１０ｍｉｎ以上に設定される。

また、積層体１５の温度がＴ１〜Ｔ２の温度範囲内である時に昇温を一旦停止したり昇温速度を緩やかにしたりすることにより上記時間Δｔを長くし、これによりバインダー２の除去を確実に行うようにすることも可能である。

このように、バインダー２を除去する工程Ｓ４ａを、積層体１５を焼結する工程Ｓ４における積層体１５を焼結温度Ｔ３まで加熱する途中で行うことにより、複合材２０の製造工程数を削減することができて複合材２０の製造を容易に行える。

なお本発明は、バインダー２を除去する工程Ｓ４ａが、焼結装置５０により積層体１５を焼結する工程Ｓ４から独立して行われることを排除するものではない。

この場合、バインダー２を除去する工程Ｓ４ａは、積層体１５を形成する工程Ｓ３の後であって且つ積層体１５を焼結する工程Ｓ４の前に行われることが望ましい。その理由は、積層体１５の形成時に炭素繊維層１１中の炭素繊維１が金属箔１０の塗工予定表面１０ａから脱落するのを確実に抑制できるからである。さらにこの場合、バインダー２を除去する工程Ｓ４ａを行った後であって且つ積層体１５を焼結する工程Ｓ４を行う前においては、積層体１５を非酸化雰囲気中に配置しておくこと又は／及び積層体１５の温度を３００℃以下に設定しておくことが望ましい。その理由は、炭素繊維１の酸化消耗を確実に抑制できるし、金属箔１０がアルミニウム箔である場合にアルミニウム箔の酸化を確実に抑制できるからである。

本実施形態の複合材２０及びその製造方法には次の利点がある。

積層体１５を形成する工程Ｓ３では、複数の素材箔１３を、少なくとも一つの素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄが他の少なくとも一つの素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄと相異するように積層している。これにより、積層体全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性が緩和されている。そして、この積層体１５を焼結することにより、複合材全体の平面方向の物性（例：熱伝導率、線膨張係数）の異方性を緩和することができる。

この工程Ｓを詳述すると、素材箔１３を、積層体１５の厚さ方向において素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄが規則的に変化するように複数積層しているので、積層体全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性が確実に緩和されている。そして、この積層体１５を焼結することにより、複合材全体の平面方向の物性の異方性を確実に緩和することができる。

しかも、本実施形態では、上述したように塗工液５を金属箔１０の塗工予定表面１０ａに塗工するための塗工装置がグラビア塗工装置３０であり、グラビア塗工装置３０のグラビアロール３１のセル３２の形状がカップ状であり、更に、セル２２の口形状に内接する円Ｎの直径Ｗが炭素繊維１の平均繊維長に対して１．２倍以上に設定されている。これにより、金属箔１０の塗工予定表面１０ａ内における炭素繊維１の配向方向が比較的ランダムになるように炭素繊維層１１を金属箔１０の塗工予定表面１０ａ上に形成することができる。そのため、素材箔１３の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性が大幅に緩和されている。

このような素材箔１３を、上述したように積層体１５の厚さ方向において素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄが規則的に変化するように複数積層することにより、積層体全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性が大幅に緩和されている。そして、この積層体１５を焼結することにより、複合材全体の平面方向の物性の異方性を大幅に緩和することができる。

ここで、塗工装置はグラビア塗工装置３０であることが上述した理由により望ましいが、本発明では、塗工装置はグラビア塗工装置３０であることに限定されるものではなく、その他に、ロールコート装置、３本ロールコート装置（例えばオフセットタイプのもの）、ダイコート装置、ナイフコート装置、カーテンコート装置、バーコート装置、ドクターブレードコート装置、スプレー塗布装置等であっても良い。すなわち、本発明において、塗工箔１２を得る工程Ｓ１では、塗工液５を金属箔１０の塗工予定表面１０ａにグラビアコート法により塗工することが望ましいが、その他に、ロールコート法、３本ロールコート法（例えばオフセットタイプのもの）、ダイコート法、ナイフコート法、カーテンコート法、バーコート法、ドクターブレードコート法、スプレー塗布法等の塗工方法により塗工しても良い。

本実施形態の複合材２０は、上述したように複合材全体の平面方向の物性の異方性が緩和されているので、冷熱サイクル等の温度変化に対して高い信頼性を有している。したがって、複合材２０は、図１５に示した冷却器６０を構成する複数の冷却器構成層のうち少なくとも一つの構成層の材料として好適に使用可能である。

冷却器６０は、冷却対象物としての発熱体６６（二点鎖線で示す）を冷却するものであり、複数の冷却器構成層として、配線層６１、絶縁層６２、緩衝層６３及び冷却層６４を備えている。そして、上から下へ順に、配線層６１、絶縁層６２、緩衝層６３及び冷却層６４が積層された状態でろう付け等の所定の接合手段によりこれらの層６１〜６４が接合一体化されることにより冷却器６０が形成されている。

発熱体６６としては、例えば、パワーモジュール素子等の電子素子が挙示される。発熱体６６がパワーモジュール素子である場合、冷却器６０はパワーモジュール用冷却器である。なお、パワーモジュールは、ハイブリッドカー（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、電車などの車両に用いられたり、風力発電、太陽光発電などのエネルギー分野に用いられたりする。

配線層６１の上面からなる搭載面６１ａには発熱体６６がはんだ付け等の所定の接合手段により接合される。

絶縁層６２は電気絶縁性を有しており、通常、セラミックからなる。

緩衝層６３は、冷却器６０に発生する熱応力等の応力を緩和するための層である。

冷却層６４は、発熱体６６の熱を放散して発熱体６６を冷却するための層であり、例えば冷却部材（放熱部材を含む）からなり、複数の放熱フィン６４ａを有している。

上記の冷却器６０では、詳述すると、上述した複数の構成層のうち絶縁層６２を除く構成層（即ち、配線層６１、緩衝層６３及び冷却層６４）からなる群より選択される少なくとも一つが本実施形態の複合材製である。したがって、冷却器６０は、冷熱サイクル等の温度変化に対して高い信頼性（例：高い接合信頼性）を有している。

本発明では、積層体１５を形成する工程Ｓ３における素材箔１３の積層方向の配列は上記実施形態に示したものに限定されるものではない。素材箔１３の配列の幾つかの例を図１６に示す。図１７は、図１６中の符号「Ａ１」〜「Ａ４」の素材箔１３の種類を示すものである。なお本発明は、図１６に示した素材箔１３の配列に限定されるものではない。

図１７（ａ）〜（ｄ）中の矢印Ｄは、各素材箔１３における塗工液５の塗工方向を示している。各素材箔１３の炭素繊維層１１の炭素繊維１の配向方向Ｅは塗工液５の塗工方向Ｄによって決定されるものであり、例えば塗工液５の塗工方向Ｄと一致している。

図１７（ａ）に示した種類「Ａ１」の素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄと図１７（ｂ）に示した種類「Ａ２」の素材箔１３おける塗工液５の塗工方向Ｄとのなす角度は９０°である。図１７（ａ）に示した種類「Ａ１」の素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄと図１７（ｃ）に示した種類「Ａ３」の素材箔１３おける塗工液５の塗工方向Ｄとのなす角度は４５°である。図１７（ｃ）に示した種類「Ａ３」の素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄと図１７（ｄ）に示した種類「Ａ４」の素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄとのなす角度は９０°である。

図１６（ａ）に示した積層体１５の素材箔１３の積層方向の配列の単位は、上記実施形態の図１に示した積層体１５のそれと基本的に同じである。すなわち、図１６（ａ）の積層体１５の素材箔１３の配列の単位はＡ１／Ａ２という単位である。この配列単位全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性は緩和されている。そして、この積層体１５では、素材箔１３は、この配列単位が積層体１５の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って複数積層されている。

図１６（ｂ）に示した積層体１５の素材箔１３の積層方向の配列の単位は、Ａ１／Ａ１／Ａ２／Ａ２という単位である。この配列単位全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性は緩和されている。そして、この積層体１５では、素材箔１３は、この配列単位が積層体１５の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って複数積層されている。

図１６（ｃ）に示した積層体１５の素材箔１３の積層方向の配列の単位は、Ａ１／Ａ２／Ａ３／Ａ４という単位である。この配列単位全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性は緩和されている。そして、この積層体１５では、素材箔１３は、この配列単位が積層体１５の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って複数積層されている。

図１６（ｄ）に示した積層体１５の素材箔１３の積層方向の配列の単位は、Ａ１／Ａ３／Ａ２／Ａ４という単位である。この配列単位全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性は緩和されている。そして、この積層体１５では、素材箔１３は、この配列単位が積層体１５の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って複数積層されている。

図１６（ｅ）に示した積層体１５の素材箔１３の積層方向の配列の単位は、Ａ１／Ａ３／Ａ２／Ａ４／Ａ４／Ａ２／Ａ３／Ａ１という単位である。この配列単位全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性は緩和されている。そして、この積層体１５では、素材箔１３は、この配列単位が積層体１５の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って複数積層されている。

したがって、図１６（ａ）〜（ｅ）の積層体１５では、いずれも、素材箔１３は、積層体１５の厚さ方向において素材箔１３における塗工液５の塗工方向Ｄが積層体１５の厚さ方向の全体に亘って所定の積層規則に従って変化するように複数積層されている。これにより、積層体全体の炭素繊維層１１の炭素繊維１の平面方向の配向性が緩和されている。

図１８は、複合材２０の炭素繊維分散層Ｃの配列の幾つかの例を示す概略図である。なお本発明は、図１８に示した炭素繊維分散層Ｃの配列に限定されるものではない。

同図中の符号「Ｃ１」、「Ｃ２」、「Ｃ３」、「Ｃ４」、「Ｃ５」及び「Ｃ６」は、複合材２０中の炭素繊維分散層Ｃの種類を示している。種類「Ｃ１」〜「Ｃ６」の炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の配向方向は互いに相異している。なお同図では、複合材２０の炭素繊維分散層Ｃの配列を理解し易くするため、複合材２０の厚さ方向に隣り合う炭素繊維分散層Ｃ、Ｃ間に配置された金属層（図１参照、符号「Ｂ」）は図示省略されている。

図１８（ａ）に示した複合材２０の炭素繊維分散層Ｃの積層方向の配列の単位は、上記実施形態の図１に示した複合材２０のそれと基本的に同じである。すなわち、図１８（ａ）の複合材２０の炭素繊維分散層Ｃの配列の単位は、Ｃ１／Ｃ２という単位である。この配列単位全体の炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の平面方向の配向性は緩和されている。そして、この複合材２０では、炭素繊維分散層Ｃは、この配列単位が複合材２０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って配列している。

図１８（ｂ）に示した複合材２０の炭素繊維分散層Ｃの積層方向の配列の単位は、Ｃ１／Ｃ１／Ｃ２／Ｃ２という単位である。この配列単位全体の炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の平面方向の配向性は緩和されている。そして、この複合材２０では、炭素繊維分散層Ｃは、この配列単位が複合材２０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って配列している。

図１８（ｃ）に示した複合材２０の炭素繊維分散層Ｃの積層方向の配列の単位は、Ｃ１／Ｃ２／Ｃ３という単位である。この配列単位全体の炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の平面方向の配向性は緩和されている。そして、この複合材２０では、炭素繊維分散層Ｃは、この配列単位が複合材２０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って配列している。

図１８（ｄ）に示した複合材２０の炭素繊維分散層Ｃの積層方向の配列の単位は、Ｃ１／Ｃ２／Ｃ３／Ｃ３／Ｃ２／Ｃ１という単位である。この配列単位全体の炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の平面方向の配向性は緩和されている。そして、この複合材２０では、炭素繊維分散層Ｃは、この配列単位が複合材２０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って配列している。

図１８（ｅ）に示した複合材２０の炭素繊維分散層Ｃの積層方向の配列の単位は、Ｃ１／Ｃ２／Ｃ３／Ｃ４／Ｃ５／Ｃ６という単位である。この配列単位全体の炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の平面方向の配向性は緩和されている。そして、この複合材２０では、炭素繊維分散層Ｃは、この配列単位が複合材２０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って配列している。

したがって、図１８（ａ）〜（ｅ）の複合材２０では、いずれも、炭素繊維分散層Ｃは、複合材２０の厚さ方向において炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の配向方向Ｅが複合材２０の厚さ方向の全体に亘って所定の積層規則に従って変化するように配列している。これにより、複合材全体の炭素繊維分散層Ｃの炭素繊維１の平面方向の配向性が緩和されている。

また本発明に係る複合材の製造方法では、積層体を形成する工程Ｓ３及び積層体を焼結する工程Ｓ４は以下のように行われても良い。

すなわち、図１９に示すように、積層体を形成する工程Ｓ３では、素材箔１３を複数積層して第１積層体１５ａを形成し、その後、第１積層体１５ａを積層状態のままでその厚さ方向に裁断装置（図示せず）により所定形状に裁断して少なくとも一つの第２積層体１５ｂを得ても良い。そして、積層体を焼結する工程Ｓ４では、積層体としての第２積層体１５ｂをその厚さ方向に加圧しながら加熱して焼結し、これにより第２積層体１５ｂを構成する素材箔１３を焼結一体化する。本実施形態では、第１積層体１５ａを裁断して得られた第２積層体１５ｂの数は複数であり詳述すると例えば四つである。

第１積層体１５ａは、複数の素材箔１３を、少なくとも一つの素材箔１３における塗工液の塗工方向（Ｄ、図１１参照）が他の少なくとも一つの素材箔１３における塗工液の塗工方向（Ｄ）と相異するように積層されたものである。望ましくは、第１積層体１５ａは、第１積層体１５ａの厚さ方向において素材箔１３における塗工液の塗工方向（Ｄ）が規則的に変化するように複数積層されたものである。第１積層体１５ａの積層規則は、例えば上述の実施形態で示した積層規則と同じである。

第２積層体１５ｂは、詳述すると、第１積層体１５ａを積層状態のままでその厚さ方向に裁断装置としての打ち抜き装置（図示せず）等により所定形状に打ち抜くことにより得られたものである。打ち抜き装置としては打ち抜きパンチを備えた打ち抜きプレス装置等が用いられる。第２積層体１５ｂは略柱状（詳述すると略円柱状）に形成されている。第２積層体１５ｂの平面方向の断面積は第１積層体１５ａのそれよりも小さい。

第２積層体１５ｂの直径（即ち、第２積層体１５ｂを構成する素材箔１３の直径）は限定されるものではなく、例えば２０〜２００ｍｍである。

このように、第１積層体１５ａをその厚さ方向に裁断して（打ち抜いて）第２積層体１５ｂを得ることにより、平面方向の断面積が小さな積層体を容易に形成することができる。そして、この第２積層体１５ｂを焼結することにより、平面方向の断面積が小さな複合材を容易に得ることができる。

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。

本発明では、積層体１５を形成する工程Ｓ３において、素材箔として、炭素繊維層１１が金属箔１０の塗工予定表面１０ａに形成された素材箔１３と、炭素繊維層以外の炭素粒子層が金属箔１０の塗工予定表面１０ａに形成された素材箔とを用いて、積層体１５を形成しても良い。

炭素繊維層以外の炭素粒子層の炭素粒子としては、天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子及び熱分解黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種の炭素粒子が例えば用いられる。これらの炭素粒子の最長軸方向の平均長さは限定されるものではなく、その上限は例えば１ｍｍであり、その下限は例えば１０μｍである。

また本発明では、炭素繊維層１１は天然黒鉛粒子、人造黒鉛粒子及び熱分解黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種の炭素粒子も含有するものであることを排除するものではない。

また本発明では、金属箔１０は、その厚さ方向の一方の片側の表面と他方の片側の表面とをそれぞれ塗工予定表面とするものであって、塗工箔１２（素材箔１３）は、金属箔１０の一方の塗工予定表面に炭素繊維粒子層が形成されるとともに金属箔１０の他方の塗工予定表面に炭素繊維層以外の炭素粒子層が形成されたものであっても良い。

また本発明では、グラビア塗工装置３０は、上記実施形態で示したようにダイレクトグラビア塗工装置であることが特に望ましいが、その他に例えばオフセットグラビア塗工装置（例：オフセットグラビアコーター）であっても良い。

また、本発明に係る複合材は、上記実施形態で示したようなパワーモジュール用冷却器６０の構成層の材料として用いられることに限定されるものではなく、その他に、照明機器の構成部材の材料、携帯・モバイル端末の構成部材の材料、ヒートスプレッダーの構成部材の材料、ヒートパイプの構成部材の材料、電池モジュールの構成部材の材料などとしても用いることができる。

本発明は、金属マトリックスと金属マトリックス中に分散した炭素粒子とを含む金属−炭素粒子複合材、その製造方法及び冷却器に利用可能である。

１：炭素繊維（炭素粒子）
５：塗工液
１０：金属箔
１０ａ：塗工予定表面
１１：炭素繊維層（炭素粒子層）
１２：塗工箔
１３：素材箔
１５：積層体
１５ａ：第１積層体
１５ｂ：第２積層体
２０：金属−炭素粒子複合材
２１：金属マトリックス
Ｂ：金属層
Ｃ：炭素繊維分散層（炭素粒子分散層）
３０：塗工装置
Ｄ：塗工液の塗工方向
Ｅ：炭素繊維の配向方向

Claims (8)

1. 金属マトリックスからなる金属層と前記金属マトリックス中に炭素粒子が分散した炭素粒子分散層とが交互に複数積層した状態に接合一体化されており、
   前記複数の炭素粒子分散層のうち少なくとも一つの前記炭素粒子分散層の炭素粒子の配向方向が他の少なくとも一つの前記炭素粒子分散層の炭素粒子の配向方向と相異している、金属−炭素粒子複合材。
2. 前記金属層と前記炭素粒子分散層は、複合材の厚さ方向において前記炭素粒子分散層の炭素粒子の配向方向が規則的に変化するように交互に複数積層された状態に配列している請求項１記載の金属−炭素粒子複合材。
3. 前記金属マトリックスがアルミニウムマトリックスである請求項１又は２記載の金属−炭素粒子複合材。
4. 発熱体を冷却する冷却器であって、
   積層状に接合一体化された複数の冷却器構成層を備え、
   前記複数の構成層のうち少なくとも一つが請求項１〜３のいずれかに記載の金属−炭素粒子複合材製である、冷却器。
5. 炭素粒子を含む塗工液を金属箔の塗工予定表面に塗工することにより前記金属箔の前記塗工予定表面に炭素粒子層が形成された塗工箔を得る工程と、
   前記塗工箔を裁断して素材箔を得る工程と、
   前記素材箔を複数積層して積層体を形成する工程と、
   前記積層体を焼結する工程と、を備え、
   前記積層体を形成する工程では、前記複数の素材箔を、少なくとも一つの前記素材箔における前記塗工液の塗工方向が他の少なくとも一つの前記素材箔における前記塗工液の塗工方向と相異するように積層する、金属−炭素粒子複合材の製造方法。
6. 前記積層体を形成する工程では、前記素材箔を、前記積層体の厚さ方向において前記素材箔における前記塗工液の塗工方向が規則的に変化するように複数積層する請求項５記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
7. 前記積層体を形成する工程では、前記素材箔を複数積層して第１積層体を形成し、その後、前記第１積層体を裁断して第２積層体を得、
   前記積層体を焼結する工程では、前記積層体としての前記第２積層体を焼結する請求項５又は６記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
8. 前記金属箔がアルミニウム箔である請求項５〜７のいずれかに記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。

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