JP2018199840A - 金属−炭素粒子複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱特性（例：熱伝導率、線膨張係数）の異方性が緩和された金属−炭素粒子複合材の製造方法を提供することにある。【解決手段】金属−炭素粒子複合材の製造方法は、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金属箔の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、塗工箔を裁断して複数の裁断小片１３を得る工程と、型枠１６内に複数の裁断小片１３を充填する工程と、型枠１６内に充填された複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程と、を備える。【選択図】図１１

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−炭素粒子複合材の製造方法に関する。

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粒子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は炭素粒子が配向した一方向が高くなる傾向となる。

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、複合体の焼結条件の設定が難しいことが課題として考えられる。

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。

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

而して、上記特許第５１５０９０５号公報（以下「特許文献１」という）の金属−炭素粒子複合材の製造方法では、金属支持体は金属箔（金属シートを含む）などからなり、皮膜は、金属箔上に炭素粒子とバインダーと溶剤とを含む塗工液を塗工することにより形成される。このような皮膜の形成方法によれば、金属箔上に塗工液の塗工方向に対し直交する方向に塗工液の塗工ムラが発生し易かった。もし塗工ムラが発生した場合には、金属箔上に形成された皮膜中の炭素粒子の含有量が不均一であるため、これをプリフォームとして用いて上記特許文献１に開示の製造方法に従って複合材を製造すると、複合材の厚さ方向に対し垂直な面方向（以下この「面方向」を複合材の「平面方向」という）における熱特性（例：熱伝導率、線膨張係数）の異方性を誘発し易い。一方、塗工ムラが発生しないように塗工液を金属箔上に塗工することは容易ではない。

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、熱特性の異方性が緩和された金属−炭素粒子複合材を製造する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］ 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複数の裁断小片を得る工程と、
型枠内に前記複数の裁断小片を充填する工程と、
前記型枠内に充填された前記複数の裁断小片を焼結一体化する工程と、を備える、金属−炭素粒子複合材の製造方法。

［２］ 前記充填する工程では、前記型枠内に前記複数の裁断小片を無作為に充填する前項１記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。

［３］ 前記金属箔がアルミニウム箔である前項１又は２記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。

［４］ 前記炭素粒子が炭素繊維及び鱗片状黒鉛粒子の少なくとも一方である前項１〜３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、もし金属箔の塗工予定表面に塗工液の塗工ムラが発生し、そのため金属箔の塗工予定表面に形成された炭素粒子層中の炭素粒子の含有量が不均一である場合であっても、塗工箔を裁断して複数の裁断小片を得、その後、型枠内に複数の裁断小片を充填することにより、型枠内に充填された複数の裁断小片の全体において炭素粒子層中の炭素粒子の含有量の均一化が図られる。そして、この状態で複数の裁断小片を焼結一体化することにより、得られる複合材の熱特性の異方性を緩和することができる。

前項［２］では、型枠内に複数の裁断小片を無作為に充填することにより、型枠内に充填された複数の裁断小片の全体における炭素粒子層中の炭素粒子の含有量の均一化を簡単に図ることができる。これにより、複合材の熱特性の異方性を簡単に緩和することができる。

前項［３］では、金属箔がアルミニウム箔であることにより、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、炭素粒子が炭素繊維及び鱗片状黒鉛粒子の少なくとも一方であることにより、複合材の熱特性を効果的に改良することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の製造方法を示す流れ図である。 図２は、塗工箔を得る工程を説明する概略図である。 図３Ａ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３Ｂは、図３Ａの格子型セルの形状を示す斜視図である。 図４Ａ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４Ｂは、図４Ａのピラミッド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亀甲型セルの配列状態を示す平面図である。 図５Ｂは、図５Ａの亀甲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円型セルの配列状態を示す平面図である。 図６Ｂは、図６Ａの円型セルの形状を示す斜視図である。 図７Ａ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７Ｂ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７Ｃ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８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９は、塗工箔を裁断して複数の裁断小片を得る工程を説明する概略図である。 図１０は、型枠内に複数の裁断小片を充填する工程を説明する概略図である。 図１１は、複数の裁断小片を焼結一体化する工程を説明する概略図である。 図１２は、複数の裁断小片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１３は、同複合材の概略斜視図である。 図１４は、冷却器の概略側面図である。

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。

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）は、いわゆる金属基炭素粒子複合材の一種であり、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ものである。炭素粒子は複合材の全体に亘って金属マトリックス中に多数分散している。

本実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の製造方法について以下に説明する。

複合材の製造方法は、図１に示すように、塗工箔を得る工程Ｓ１と、複数の裁断小片を得る工程Ｓ２、複数の裁断小片を充填する工程Ｓ３と、複数の裁断小片を焼結一体化する工程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、これにより図１３に示した本実施形態に係る金属−炭素粒子複合材２０が得られる。

塗工箔を得る工程Ｓ１は、図２に示すように、炭素粒子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に炭素粒子層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粒子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に形成された炭素粒子層１１から溶剤３を除去する工程Ｓ１ａを含んでいる（図１参照）。

複数の裁断小片を得る工程Ｓ２は、図９に示すように、塗工箔１２を所定形状に小さく裁断して複数の裁断小片１３を得る工程である。

複数の裁断小片を充填する工程Ｓ３は、図１０に示すように、型枠１６内に複数の裁断小片１３を充填する工程である。

複数の裁断小片を焼結一体化する工程Ｓ４では、図１１に示すように、型枠１６内に充填された複数の裁断小片１３をその厚さ方向に加圧しながら加熱することにより複数の裁断小片１３を型枠１６内にて焼結一体化する。この工程Ｓ４は、複数の裁断小片１３を加熱することにより各裁断小片１３からバインダー２を除去する工程Ｓ４ａを含んでいる（図１参照）。

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２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粒子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。

多数の炭素粒子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、炭素粒子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。

炭素粒子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。塗工方法として、グラビア塗工法、３本ロールコート法（例えばオフセットタイプ）、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、スプレー塗布法等を適用可能である。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。

以下では、塗工方法がグラビア塗工法である場合について塗工方法を説明する。

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３Ａ、４Ａ、５Ａ及び６Ａ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中の炭素粒子１はその最長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に形成された炭素粒子層１１を加熱乾燥することにより炭素粒子層１１中に含まれている溶剤３を炭素粒子層１１から蒸発除去するためのものである。

図２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からなる炭素粒子層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上に炭素粒子層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３Ａ及び３Ｂを見よ）、ピラミッド型３２Ｂ（図４Ａ及び４Ｂを見よ）、亀甲型３２Ｃ（図５Ａ及び５Ｂを見よ）及び円型３２Ｄ（図６Ａ及び６Ｂ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３Ａ及び３Ｂ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４Ａ及び４Ｂ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５Ａ及び５Ｂ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６Ａ及び６Ｂ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７Ａに示すように平坦状であっても良いし、図７Ｂに示すように凹曲面状（例：凹球面状）であっても良いし、図７Ｃ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８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内に平均最長軸長さの炭素粒子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内に入った炭素粒子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は炭素粒子１の平均最長軸長さよりも大きければ特に限定されるものではないが、炭素粒子１の平均最長軸長さに対して１．２倍以上に設定されていることが望ましい。

なお、図３Ａ、４Ａ及び５Ａ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６Ａ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が炭素粒子１の平均最長軸長さに対して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中の炭素粒子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、炭素粒子層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、特に炭素粒子１の平均最長軸長さに対して１．５倍以上であることが非常に望ましい。

炭素粒子１の種類は限定されるものではない。炭素粒子１として、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン、天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種を使用することができる。

炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などを使用することができる。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最長軸方向（即ち繊維方向）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。

カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ（登録商標）を含む）などを使用することができる。

グラフェンとしては、単層グラフェン、多層グラフェンなどを使用することができる。

天然黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛粒子などを使用することができる。

人造黒鉛粒子としては、等方性黒鉛粒子、異方性黒鉛粒子、熱分解黒鉛粒子などを使用することができる。

炭素粒子１の大きさ（平均最長軸長さ、平均粒径など）は限定されるものではないが、炭素粒子１が例えば炭素繊維である場合、炭素繊維の平均最長軸長さ（即ち平均繊維長さ）は１ｍｍ以下であることが望ましい。その理由は、金属箔１０の塗工予定表面１０ａに形成される炭素粒子層（炭素繊維層）１１中の炭素粒子（炭素繊維）１の最長軸方向（繊維方向）が塗工予定表面１０ａ内において比較的ランダムになるからである。炭素繊維の平均最長軸長さの下限は限定されるものではなく、通常１０μｍである。

また、炭素粒子１が例えば炭素繊維である場合、炭素繊維の繊維直径は限定されるものではなく、炭素繊維の平均繊維直径は例えば０．１ｎｍ〜２０μｍである。炭素繊維が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。

炭素粒子１が気相成長カーボンナノファイバーである場合は、その平均繊維直径は例えば０．１ｎｍ〜２０μｍである。

炭素粒子１が例えば鱗片状黒鉛粒子である場合、鱗片状黒鉛粒子の平均粒径は１００μｍ以上であることが望ましい。その理由は、鱗片状黒鉛粒子と金属マトリックスとの境界の界面抵抗を確実に低減し得て、これにより複合材２０の熱伝導特性（熱伝導率）を確実に高めることができるからである。鱗片状黒鉛粒子のより望ましい平均粒径は２００μｍ以上であり、非常に望ましい平均粒径は４００μｍ以上である。鱗片状黒鉛粒子の平均粒径の上限は限定されるものではなく、例えば１０００μｍである。

バインダー２は、炭素粒子１に金属箔１０の塗工予定表面１０ａへの付着力を付与し、これにより炭素粒子層１１中の炭素粒子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、炭素粒子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において炭素粒子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は炭素粒子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、炭素粒子層１１に含まれる炭素粒子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、炭素粒子層１１に含まれる炭素粒子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、複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程Ｓ４において金属箔１０の金属が炭素粒子層１１内の空隙の略全部に十分に浸透するとともに複数の裁断小片１３が確実に焼結一体化される。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、炭素粒子層１１に含まれる炭素粒子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において炭素粒子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、複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程Ｓ４において金属箔１０の金属を炭素粒子層１１内に確実に浸透させることができて、複数の裁断小片１３を確実に強固に焼結一体化することができる。

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の熱特性（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はアルミニウムマトリックスである。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の熱特性（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の熱特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。

金属箔１０が銅箔である場合には、複合材２０の金属マトリックスは銅マトリックスである。

ここで、市販されている金属箔（例：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粒子層１１が乾燥炉３８により加熱乾燥され、これにより炭素粒子層１１に含まれている溶剤３が炭素粒子層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、炭素粒子層１１に含まれている溶剤３を炭素粒子層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粒子層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）で炭素粒子層１１をその厚さ方向に押圧して炭素粒子層１１のかさ密度を高めることも可能である。

＜複数の裁断小片１３を得る工程Ｓ２＞
図９に示すように、複数の裁断小片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で所定形状に小さく裁断する（打ち抜く）。これにより、塗工箔１２から所定形状の裁断小片１３を複数切り出す。

裁断小片１３の形状は限定されるものではなく、例えば、円形状や楕円形状であっても良いし多角形状（三角形状、四角形状等）であっても良く、更に、紙を市販のシュレッダーで裁断したような細長い形状であっても良い。本実施形態では裁断小片１３の形状は例えば円形状である。また、複数の裁断小片１３の形状及び寸法は互いに同じであっても良いし相異していても良く、本実施形態では複数の裁断小片１３は互いに同一形状及び同一寸法である。

図９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いる。金属箔１０の塗工予定表面１０ａには塗工液５の塗工ムラが塗工液５の塗工方向Ｄに対し直交する方向（即ち金属箔１０の幅方向）に発生する。塗工ムラが発生している場合、塗工箔１２の炭素粒子層１１中の炭素粒子１の含有量は塗工方向Ｄに対し直交する方向に不均一になっており、肉眼では炭素粒子１の含有量が多い箇所は濃く少ない箇所は淡く見える。

なお同図では、塗工液５の塗工方向Ｄを分かり易くするため、塗工箔１２及び裁断小片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１０及び１１）でも同じである。

＜複数の裁断小片１３を充填する工程Ｓ３＞
図１０に示すように、複数の裁断小片１３を充填する工程Ｓ３では、型枠１６内に複数の裁断小片１３を充填する。型枠１６内に充填された複数の裁断小片１３はその全体が一つの焼結素材に相当している。

型枠１６は黒鉛製である。型枠１６の形状は限定されるものではなく、多角形状であっても良いし円形状であっても良く、本実施形態では四角形状である。

裁断小片１３のサイズは限定されるものではなく、裁断小片１３を型枠１６内に充填し得るサイズであれば良い。特に、裁断小片１３の最大投影面積を「Ｙ」、型枠１６の開口面積を「Ｘ」としたとき、「Ｘ」と「Ｙ」は次式（１）を満足していることが望ましい。なお、複数の裁断小片１３の形状及び寸法が互いに同一ではなく相異する場合、「Ｙ」は複数の裁断小片１３の最大投影面積の平均値を適用する。

Ｘ＞４×Ｙ …式（１）。

「Ｘ」と「Ｙ」が式（１）を満足することにより、型枠１６内に複数の裁断小片１３を充填した際に型枠１６内の中心に裁断小片１３が集まるのを確実に抑制することができ、これにより、複数の裁断小片１３を確実に均一に焼結一体化することができる。

さらに、「Ｘ」と「Ｙ」は「Ｘ＞４０×Ｙ」の式を満足していることが望ましい。その理由は、得られる複合材２０の熱特性の異方性（特に、複合材２０の平面方向における熱特性の異方性）を確実に緩和することができるからである。この観点から、特に「Ｘ」と「Ｙ」は「Ｘ＞１００×Ｙ」の式を満足していることが望ましい。

また、「Ｙ」は限定されるものではないが、４ｍｍ^２以上であることが望ましい。その理由は、裁断小片１３からの炭素粒子１の脱落を確実に抑制することができるし、裁断小片１３のハンドリング性を確実に向上させることができるし、塗工箔１２を裁断するのに要するコストを確実に削減することができるからである。この観点から、特に「Ｙ」は２５ｍｍ^２以上であることが望ましく、更に１００ｍｍ^２以上であることが非常に望ましい。「Ｙ」の上限は限定されるものではなく、通常１００００ｍｍ^２である。

型枠１６内への裁断小片１３の充填個数は限定されるものではなく、所望する複合材２０の大きさ等により決定されるものであり、例えば５×１０^２〜１×１０^６個である。

複数の裁断小片１３を型枠１６内に充填する場合においては、複数の裁断小片１３を型枠１６内に無作為に充填しても良いし規則的に充填しても良い。

複数の裁断小片１３を型枠１６内に無作為に充填する場合、各裁断小片１３に発生している塗工ムラが、複数の裁断小片１３が型枠１６内に無作為（乱雑に）に充填されることで相殺される。そのため、型枠１６内に充填された複数の裁断小片１３の全体における炭素粒子層１１中の炭素粒子１の含有量を簡単に均一化することができる。これにより、複合材２０の熱特性の異方性（特に、複合材２０の平面方向における熱特性の異方性）を簡単に緩和することができる。

複数の裁断小片１３を型枠１６内に規則的に充填する場合、各裁断小片１３に発生している塗工ムラの方向（即ち塗工方向Ｄ）が平面内において特定の方向に集中しないような規則性をもって（即ち塗工ムラの方向（塗工方向Ｄ）が平面内において均一に分散するような規則性をもって）複数の裁断小片１３を型枠１６内に充填することが良い。こうすることにより、複合材２０の熱特性の異方性（特に、複合材２０の平面方向における熱特性の異方性）を確実に緩和することができる。

＜複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程Ｓ４＞
図１１に示すように、複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程Ｓ４では、まず加圧加熱焼結装置などの焼結装置５０の焼結室５１内に、型枠１６内に充填された複数の裁断小片１３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複数の裁断小片１３を型枠１６内に充填した状態のままでその厚さ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複数の裁断小片１３を焼結一体化する。これにより、複合材２０が型枠１６内にて形成される。次いで、複合材２０と型枠１６を分離する。これにより、図１３に示した複合材２０が得られる。

この工程Ｓ４では、複数の裁断小片１３が上述のように加圧加熱されることにより、各裁断小片１３の金属箔１０の金属の一部が各裁断小片１３の炭素粒子層１１内に浸透して炭素粒子層１１内に存在する微細な空隙（例：炭素粒子層１１中の炭素粒子１間の隙間）に充填されて、当該空隙が略消滅する。さらに、各裁断小片１３の金属箔１０の金属は複合材２０の金属マトリックスを形成するとともに、各裁断小片１３の炭素粒子層１１中の炭素粒子１は複合材２０の金属マトリックス中に分散した状態になる。

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。

複数の裁断小片１３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（図示せず）で複数の裁断小片１３をその厚さ方向の両側から挟んでその厚さ方向に加圧することにより行われる。同図中の上向き及び下向きの一対の矢印「５３」「５３」は、両押圧パンチによる複数の裁断小片１３への加圧方向を示している。

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、複数の裁断小片１３を焼結一体化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複数の裁断小片１３を確実に良好に焼結一体化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。

複数の裁断小片１３への加圧力は限定されるものではなく、複数の裁断小片１３を軽く押圧する程度の加圧力でも良い。さらに、複数の裁断小片１３への加熱時に複数の裁断小片１３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、複数の裁断小片１３への加圧により金属箔１０の金属が型枠１６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の金属が型枠１６から流れ出ないように型枠１６の外周を金型（図示せず）で覆って複数の裁断小片１３を加圧することが特に望ましい。

もし、型枠１６内において互いに重なり合う裁断小片１３、１３間に空隙が残った状態で複数の裁断小片１３が焼結一体化されると、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、複数の裁断小片１３を焼結雰囲気として真空雰囲気中にて加圧することが望ましい。この場合の真空雰囲気の真空度は１×１０^−１〜１×１０^−６Ｐａであることが望ましい。

本実施形態では、バインダー２を除去する工程Ｓ４ａは、複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程Ｓ４における複数の裁断小片１３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を除去する工程Ｓ４ａを以下に説明する。

図１２は、複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程Ｓ４において複数の裁断小片１３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、各裁断小片１３の炭素粒子層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）。

複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程Ｓ４では、複数の裁断小片１３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により複数の裁断小片１３を加熱する途中における複数の裁断小片１３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各裁断小片１３の炭素粒子層１１から除去される。

複数の裁断小片１３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を複数の裁断小片１３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による複数の裁断小片１３の昇温速度、複数の裁断小片１３に含まれているバインダー２の全量、複数の裁断小片１３の合計質量、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、複数の裁断小片１３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、複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程Ｓ４における複数の裁断小片１３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により複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程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、複数の裁断小片１３を型枠１６内に充填する工程Ｓ３の後であって且つ複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程Ｓ４の前に行われることが望ましい。その理由は、複数の裁断小片１３の型枠１６内への充填時に各裁断小片１３の炭素粒子層１１中の炭素粒子１が各裁断小片１３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複数の裁断小片１３を焼結一体化する工程Ｓ４を行う前においては、型枠１６内に充填された複数の裁断小片１３を非酸化雰囲気中に配置しておくこと又は／及び複数の裁断小片１３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、炭素粒子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おいて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の製造方法には次の利点がある。

もし金属箔１０の塗工予定表面１０ａに塗工液５の塗工ムラが発生し、そのため金属箔１０の塗工予定表面１０ａに形成された炭素粒子層１１中の炭素粒子１の含有量が不均一である場合であっても、塗工箔１２を裁断して複数の裁断小片１３を得、その後、型枠１６内に複数の裁断小片１３を充填することにより、型枠１６内に充填された複数の裁断小片１３の全体において炭素粒子層１１中の炭素粒子１の含有量が均一化される。そして、この状態で複数の裁断小片１３を焼結一体化することにより、得られる複合材２０の熱特性（例：熱伝導率、線膨張係数）の異方性（特に、得られる複合材２０の平面方向における熱特性の異方性）を緩和することができる。

さらに、複数の裁断小片１３を充填する工程Ｓ３では、型枠１６内に複数の裁断小片１３を無作為に充填することにより、型枠１６内に充填された複数の裁断小片１３の全体における炭素粒子層１１中の炭素粒子１の含有量を簡単に均一化することができる。これにより、複合材２０の熱特性の異方性（特に、複合材２０の平面方向における熱特性の異方性）を簡単に緩和することができる。

さらに、金属箔１０がアルミニウム箔である場合には、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。

また、炭素粒子１が炭素繊維及び鱗片状黒鉛粒子の少なくとも一方である場合には、複合材２０の熱特性を効果的に改良することができる。

本実施形態の複合材２０は、上述したように複合材２０の熱特性の異方性（特に、複合材２０の平面方向における熱特性の異方性）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１４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２０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。

複合材２０が例えば緩衝層６３の材料として用いられる場合には、複合材２０の平面方向の線膨張係数が絶縁層６２の平面方向の線膨張係数と冷却層６４の平面方向の線膨張係数との中間値になるように複合材２０の金属マトリックスの体積と炭素粒子１の体積との比率を設定することが望ましい。

金属箔１０が例えばアルミニウム箔である場合においては、特に、複合材２０の平面方向の線膨張係数を、絶縁層６２の材料としてよく使用されるセラミック（窒化アルミ、アルミナ、炭化ケイ素等）の線膨張係数（例：約３×１０^−６／Ｋ〜約５×１０^−６／Ｋ）と冷却層６４の材料としてよく使用されるアルミニウムの線膨張係数（約２３×１０^−６／Ｋ）との中間値（約１０×１０^−６／Ｋ〜約１６×１０^−６／Ｋ）にするためには、炭素粒子１の体積を複合材２０全体の体積に対して１０％以上５０％未満に設定することが望ましい。

以上で本発明の一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。

例えば本発明では、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１０ａとするものであって、塗工箔１２は、金属箔１０の一方の塗工予定表面１０ａと他方の塗工予定表面１０ａとにそれぞれ同種又は異種の炭素粒子層１１が形成されたものであっても良い。

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もの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−炭素粒子複合材の製造方法に利用可能である。

１：炭素粒子
５：塗工液
１０：金属箔
１０ａ：塗工予定表面
１１：炭素粒子層
１２：塗工箔
１３：裁断小片
１６：型枠
２０：金属−炭素粒子複合材
３０：塗工装置
Ｄ：塗工液の塗工方向

Claims (4)

1. 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複数の裁断小片を得る工程と、
   型枠内に前記複数の裁断小片を充填する工程と、
   前記型枠内に充填された前記複数の裁断小片を焼結一体化する工程と、を備える、金属−炭素粒子複合材の製造方法。
2. 前記充填する工程では、前記型枠内に前記複数の裁断小片を無作為に充填する請求項１記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
3. 前記金属箔がアルミニウム箔である請求項１又は２記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
4. 前記炭素粒子が炭素繊維及び鱗片状黒鉛粒子の少なくとも一方である請求項１〜３のいずれかに記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。

Images