WO2006051782A1

WO2006051782A1 - 金属基炭素繊維複合材料およびその製造方法

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Publication number: WO2006051782A1
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Authority: WO
Inventors: Mikiya Ono; Toshiyuki Ueno
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Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2006-05-18
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Abstract

　一般に用いられている安価な材料を用い、溶湯法で用いられるよりも少ないエネルギーによって作製することができ、広範囲の寸法および形状（特に大面積）を有する優れた熱伝導性かつ軽量な金属基炭素繊維複合材料を提供する。金属と炭素繊維とを加熱圧接させて得られる金属基炭素繊維複合材料であって、金属層と炭素繊維含有金属層が交互に積み重なった構造を有する金属基炭素繊維複合材料。該材料は、シート状もしくはフォイル状の金属支持体上に炭素繊維を付着させて、プリフォームを形成する工程と、プリフォームを積み重ねて、プリフォーム積層体を形成する工程と、プリフォーム積層体を真空中または非酸化雰囲気中で加熱圧接して、前記プリフォーム同士を一体化させる工程とを備えた方法により製造することができる。

Description

明細書

金属基炭素繊維複合材料およびその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は金属基炭素繊維複合材料およびその製造方法に関する。詳細には、常温から数百。 Cで作動する装置の放熱に適した高熱伝導率を有する金属基炭素繊維複合材料およびその製造方法に関し、より詳細には金属層と炭素繊維を含有する金属層が交互に積み重なった構造を有する金属基炭素繊維複合材料ならびにその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 従来、半導体を用いた電子装置もしくはパワーモジュールの放熱部材 (基板、ヒートシンク、ヒートスプレッダなど）あるいは機械装置の発熱部周辺部材として、アルミユウム、銅またはそれらの合金力その優れたカ卩ェ性および比較的高い熱伝導率のために、主に用いられている。また、さらに優れた熱伝導性および/または絶縁性が求められる場合には、グラフアイト、あるいはべリリア、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素などの高熱伝導材料が用いられているが、これらの材料は高コストであるため多用されるに至っていない。しかしながら、前述の装置の高性能化に伴い、それら装置の発熱量が増大する傾向が顕著である。さらに、それら装置の小型軽量化に伴い、放熱部材の小型軽量ィ匕が求められ、さらにまた、高性能で安価な放熱部材が求められてきている。

[0003] この問題に関して、アルミニウム、銅などの金属もしくは合金よりも高い熱伝導率を有するグラフアイトが使用されてはいるものの、グラフアイトから発生および飛散する炭素粉が周辺の電子回路に支障を及ぼすという問題を抱えている。また、窒化珪素などの高熱伝導性セラミックスも、ハイブリッドカー制御部の LSI用ヒートシンクなどに用レ、られてきてはいる力さらに優れた熱伝導性と大幅な価格ダウンをユーザーから求められており、セラミックス系材料ではそのような要請には応えられない状況にある。

[0004] このような現状に鑑み、優れた熱伝導性を有し、かつ軽量である炭素繊維を用いた金属基炭素繊維複合材料が注目されてきている。そのような金属基炭素繊維複合材料は、炭素繊維を配列、整歹 1J、編み込むなどして固めた予備成型体 (プリフォーム）に対して、アルミニウムなどの金属の溶湯を加圧または非加圧で含浸させる溶湯含浸法によって形成されるのが一般的である（特許文献 1参照）。

[0005] 溶湯含浸法によって金属基炭素繊維複合材料を形成する際の問題は、金属溶湯が高い温度を有することによっておこる炭素繊維と溶湯中の金属との化学反応による金属炭化物の生成である。たとえば、アルミニウムを用いる場合、アルミニウム溶湯は約 700°Cという高い温度を有し、溶湯中のアルミニウムと炭素繊維との反応による A1

4

Cの生成がある。生成した Al Cなどの炭化物は、常温における水または水蒸気との

3 4 3

接触により、メタンなどの炭化水素ガスおよび金属水酸化物へと変質し、炭素繊維と母材 (マトリクス）の金属との間に空隙が生じ、複合材料の強度および熱伝導率が大きく低下することが知られている。

[0006] 溶湯含浸法における炭化物の形成を抑制するための方法として、炭素繊維に対して、セラミックコーティング（特許文献 2参照）またはフッ素のコーティング (特許文献 3 参照）のような表面処理を施す方法が検討されてきている。あるいはまた、炭素を主成分とするバインダー（ピッチ系樹脂など）を用いて、炭素繊維のプリフォームを形成する方法（特許文献 4参照）、または溶湯として用いる金属を合金化して、溶湯の温度を低下させて溶湯含浸時の反応を抑制すること（特許文献 5参照）が検討されてきている。

[0007] し力しながら、前述のように炭素繊維にコーティングを施す方法、および炭素を主成分とするバインダーによってプリフォームを形成する方法は、追加の工程および材料などを必要とし、複合材料のコストの増大を招く可能性がある。また、溶湯として合金を用いる方法においては、該合金を準備する工程が必要となる。さらに、いずれの方法においても、マトリクスとして用いる金属ないし合金を溶湯とするために高温が必要であり、多くのエネルギーを必要とする。

[0008] 特許文献 1 :特開 2002— 194515号公報

特許文献 2：特開 2001— 300717号公報

特許文献 3：特開平 5— 125562号公報

特許文献 4 :特開 2000— 303155号公報特許文献 5 :特開平 11 256254号公報

発明の開示

[0009] 以上の先行技術に鑑みて、本発明の課題は、一般に用いられている安価な材料を用レ、、溶湯法で用いられるよりも少ないエネルギーによって作製することができ、広範囲の寸法および形状 (特に大面積)を有する優れた熱伝導性かつ軽量な金属基炭素繊維複合材料を提供することである。このような金属基炭素繊維複合材料は、放熱対策に苦慮しているパーソナルコンピュータ、液晶パネル、プラズマデスプレイパネルなどに応用することが可能である。

[0010] また、本発明の別の課題は、一般に用いられている安価な材料を用レ、、溶湯法で問題となっている金属炭化物の生成を抑制または排除し、より少ないエネルギーによつて実施することが可能であり、かつ広範囲の寸法および形状（特に大面積）を得ることができる金属基炭素繊維複合材料の製造方法を提供することである。

[0011] 本発明の第 1の実施形態である金属基炭素繊維複合材料は、金属と炭素繊維とを加熱圧接させて得られ、前記金属層と炭素繊維含有金属層が交互に積み重なった構造を有することを特徴とする。ここで、前記炭素繊維が整列されていることが望ましレ、。また、前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維、カーボンナノファィバー、気相成長炭素繊維、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブ、およびこれらの集合体もしくは撚合ワイヤーからなる群から選択される単体もしくは複合体から形成することができ、あるいはそれら炭素繊維に対して、再加熱処理などの後処理力卩ェを施してもよレ、。前記金属は、銅、アルミユウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金からなる群から選択することができる。

[0012] 本発明の第 2の実施形態である金属基炭素繊維複合材料の製造方法の 1つの態様は、シート状もしくはフオイル状の金属支持体上に炭素繊維を付着させて、プリフォームを形成する工程と；前記プリフォームを積み重ねて、プリフォーム積層体を形成する工程と；前記プリフォーム積層体を真空中または非酸化雰囲気中で加熱圧接して、前記プリフォーム同士を一体化させる工程とを備えたことを特徴とする。ここで、前記プリフォームを形成する工程は、炭素繊維と金属粉とを混合した混合物を前記金属支持体上に塗布することによって実施されてもよい。 [0013] 本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の別の態様は、炭素繊維を有機バインダーおよび溶剤と混合して塗布混合物を準備する工程と；シート状もしくはフォイル状の金属支持体上に前記塗布混合物を付着させて、金属支持体上に炭素繊維含有被膜が形成されたプリフォームを形成する工程と；前記プリフォームを積み重ねて、プリフォーム積層体を形成する工程と；前記プリフォーム積層体を真空中または非酸化雰囲気中で加熱圧接して、前記プリフォーム同士を一体化させる工程とを備えたことを特徴とする。ここで、前記金属支持体上に塗布された炭素繊維含有被膜が、前記金属支持体全体を覆ってもよいし、あるいは、 1方向には連続し、それと直交する方向には不連続であってもよい。また、前記塗布混合物の付着は、たとえばノズルプリント法などの方法によって、前記塗布混合物中の炭素繊維を整列させながら実施され、製造される金属基炭素繊維複合材料中で炭素繊維が整列された構造を維持されてもよい。あるいはまた、前記塗布混合物の付着を、スプレードライ法により実施してもよい。

[0014] 以上のような構成をとることによって、半導体を用いた電子装置、あるいは発熱部を有する機器、装置の放熱部材として有用な、軽量で高い熱伝導率を有する金属基炭素繊維複合材料を得ることができる。本発明の製造方法は、とくに板状の高熱伝導材料を安価に提供することに優れており、ノート型パーソナルコンピュータ、液晶表示装置、プラズマディスプレイ、有機 EL表示装置などの放熱基板の提供に有用であり、本発明の価値はきわめて大きい。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1A]図 1Aは、連続繊維である炭素繊維を整列させる場合の、本発明の金属基炭素繊維複合材料およびその製造工程を示す概略図である。

[図 1B]図 1Bは、短繊維である炭素繊維をランダムに配列させる場合の、本発明の金属基炭素繊維複合材料およびその製造工程を示す概略図である。

[図 1C]図 1Cは、短繊維である炭素繊維を整列させる場合の、本発明の金属基炭素繊維複合材料およびその製造工程を示す概略図である。

[図 2]図 2は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程 Iの一例を示す図である。 [図 3]図 3は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程 Iの一例（ノズルプリント法）を示す図である。

[図 4A]図 4Aは、ノズノレプリント法に用いられる、整流板を有するノズル先端部を示す図である。

[図 4B]図 4Bは、ノズルプリント法に用いられる、電解印加手段を有するノズル先端部を示す図である。

[図 4C]図 4Cは、ノズノレプリント法に用いられる、磁界印加手段を有するノズル先端部を示す図である。

[図 5]図 5は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程 Iの一例を示す図である。

[図 6]図 6は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程 IIの一例を示す図である。

[図 7]図 7は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程 IIIの一例を示す図である。

[図 8A]図 8Aは、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程 IVにおいて、ホットプレス法を用いる一例を示す図である。

[図 8B]図 8Bは、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程 IVにおいて、パルス通電焼結法を用いる一例を示す図である。

[図 9]図 9は、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法の工程 IVの一例であり、熱間加圧ロールを使用する例を示す図である。

[図 10]図 10は、実施例 3によって得られた金属基炭素繊維複合材料の光学顕微鏡写真である。

[図 11]図 11は、実施例 3によつて得られた金属基炭素繊維複合材料の走査電子顕微鏡写真である。

[図 12]図 12は、実施例 4によって得られた金属基炭素繊維複合材料の走査電子顕微鏡写真である。

発明を実施するための最良の形態

本発明の第 1の実施形態は、図 1A〜図 1Cに示すような金属と炭素繊維から構成され、金属層と炭素繊維含有金属層が交互に積み重なった構造を有する金属基炭素繊維複合材料 6である。図 1Aにおいては、連続繊維である炭素繊維 2を用いて形成される金属基炭素繊維複合材料 6aの模式図を示す。また、図 1Bおよび図 1Cにおいては、短繊維である炭素繊維 2を用いて形成される金属基炭素繊維複合材料 6 bおよび 6cの模式図を示す (ここで、金属基炭素繊維複合材料 6bは炭素繊維 2がランダムに配列された材料であり、金属基炭素繊維複合材料 6cは炭素繊維 2がー方向に整列された材料である）。本発明の金属基炭素繊維複合材料 6中に用いられる金属は、熱伝導率と加工性の観点より、銅、アルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金からなる群から選択することができる。金属層は、自立性のシート（厚さ 50 μ m〜500 μ m)、または自立性のフォイル（厚さ 100nm〜50 μ m)から形成することができる。以下の本明細書において、金属シートおよび金属フォイルを、金属支持体と総称する場合がある。

[0017] 本発明の金属基炭素繊維複合材料 6中に用レ、られる炭素繊維 2は、ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維、ピッチ系あるいは PAN系炭素繊維を加熱再処理した炭素繊維（これらの炭素繊維は直径 1 μ πι〜10 μ m、長さ 50mm以上の連続繊維として扱えるもの、あるいは直径同等、長さ lmmから 50mmのチョップドファイバー）、気相成長炭素繊維（直径 10ηιη〜40 μ ΐη、長さ 1 /i m〜50mm)、カーボンナノファイバ一 (直径 10nm〜40nm、長さ 1 μ m〜50mm)、シングノレウォーノレカーボンナノチューブ (直径 1. 4nm〜： 10nm、長さ 1 i m〜50mm)、マノレチウォーノレカーボンナノチユーブ（直径 2ηιη〜40 μ ΐη、長さ 1 /i m〜50mm)、あるいはこれらの集合体、さらにはカーボンナノファイバーやカーボンナノチューブを撚合、紡糸したワイヤーからなる群より選択されたものでもよレ、。あるいはまた、本発明の金属基炭素繊維複合材料 6 においては、 1種の炭素繊維を単体として用いてもよいし、または複数種の炭素繊維を混合した複合体を、炭素繊維 2として用いてもよい。

[0018] さらに、これらの炭素繊維類は、 2000°C〜3000°Cの不活性雰囲気中での熱処理

(再加熱処理）により、剛性や熱伝導率が向上する。このため、複合材料に求められる特性に応じた熱処理を施したこれら炭素繊維類を用いることも可能である。

[0019] 本発明における炭素繊維含有金属層は、前述の炭素繊維 2と金属支持体 1とを接触させた状態で加熱圧接して、金属支持体 1の一部を塑性変形させて炭素繊維 2の周囲を取り巻くようにして形成することができる。あるいはまた、炭素繊維 2と、接合補助材としての金属粉末 3の粒子との混合物を金属支持体 1上に配設して熱および圧力を印加して、金属粉末 3の粒子の融着および金属支持体 1の一部の塑性変形によつて炭素繊維含有金属層を形成してもよい。いずれの場合においても、金属支持体 1の残部が金属層を形成する。

[0020] 前述の金属層と、炭素繊維含有金属層とを交互に積層する際に、炭素繊維含有金属層に含有される炭素繊維 2を 1方向に整列させることによって、該金属基炭素繊維複合材料 6の炭素繊維整列方向における熱伝導率をさらに向上させることができる。炭素繊維 2の整列は、後述のような種々の方法により達成することができる。

[0021] 本発明の金属基炭素繊維複合材料 6は、その積層方向において、 0. 1〜： 10mm、好ましくは 0.：!〜 3mmの厚さを有するシート状材料として得ることができる。このように薄いシート状材料とした場合、製造後に曲げ変形を加えた場合に、破断などの微細組織的破壊が発生せず、熱的性質 (熱伝導率、熱膨張率など）の劣化を防止すること力 Sできる。前述の範囲内の厚さを有する本発明の金属基炭素繊維複合材料 6は、曲率半径 30mm以下の曲げ変形、より詳細には曲率半径 l〜30mmの曲げ変形をカ卩えても、炭素繊維および金属ともに破断などの微細組織的破壊が発生せず、その熱的性質を維持することができる。

[0022] 本発明の第 2の実施形態は、第 1の実施形態の金属基炭素繊維複合材料 6を製造する方法であって、金属と該金属中に炭素繊維が分散して存在する金属基炭素繊維層とが交互に積み重なった構成を有する層状構造体を工業的に製造可能とする具体的な方法を提供するものである。

[0023] 本実施形態の製造方法は:金属支持体 1上に炭素繊維 2を付着させたプリフォーム

4を構成する工程 Iと；前記プリフォーム 4を積層して、プリフォーム積層体 5とする工程 Πと;積層体 5を真空もしくは非酸化雰囲気中で加熱加圧し、前記プリフォーム 4同士を圧接して一体化して、金属基炭素繊維複合材料 6を得る工程 IVとを含むことを特徴とする。工程 Iにおいてプリフォーム 4を構成する際に、金属支持体 1の表面上に炭素繊維 2を固定する目的で有機バインダーや有機溶剤を用レ、る場合には、工程 IIと工程 IVとの間において、前記積層体を炭素繊維表面が酸化されない程度の温度に加熱して、該有機バインダーや有機溶剤を除去する「脱バインダー」工程 IIIをさらに実施してもよい。

[0024] 本発明による金属基炭素繊維複合材料の製造方法は、炭素繊維 2のサイズと整列方法、接合補助材としての金属粉末 3の使用の有無などの差異により、前述の各ェ程にバリエーションが存在する。これらの工程の組み合わせによりいくつかの製造方法が構築できる。

[0025] 工程 Iは、金属層を形成する金属支持体 1と、炭素繊維 2とを組み合わせて、プリフオーム 4を形成する工程である。この工程において、炭素繊維 2は、必ずしも整列させる必要はないが、好ましくは一方向に整列される。炭素繊維 2が連続繊維として取り扱える場合と、短繊維として取り扱う場合とで異なる方法が適用できる。

[0026] 炭素繊維 2が連続繊維として取り扱える場合、すなわち、ピッチ系あるいは PAN系カーボンファイバーや炭素繊維類の撚合ワイヤーのように、長さが 50mm以上の繊維の場合には、金属支持体 1上に、両端力張力をかけながら炭素繊維 2を配置するなどの方法を用いて、図 1Aに示すように容易に炭素繊維 2を整列させて、プリフォーム 4aを得ることが可能である。カロえて、整列前の炭素繊維 2にバインダーを塗布するカ金属支持体 1上への整列後にバインダーをスプレーなど慣用の方法で塗布して、金属支持体 1上に炭素繊維 2を固定できる。あるいはまた、金属支持体 1同士またはそれらと炭素繊維 2との加熱圧接後の接合性を改善する目的で、バインダーと同時または別個に接合補助材としての金属粉末 3を付着、固定させることもできる。

[0027] 工程 Iにおいて用いることができるバインダーは、後述の工程 IIIにおいて、炭素繊維

2が酸化されない程度の温度で容易に揮発または焼尽できるものであることが望ましレ、。好ましくは 400°C以下の温度で揮発または焼尽できるバインダーを用いることができる。具体的には、プル口ニック系分散粘結剤、 PEGなどの有機樹脂を用いることができる。また、任意選択的に、バインダーの塗布性および粘性を改善するために、低沸点の有機溶媒をバインダーと混合して用レ、てもよい。用いることができる有機溶媒は、炭素繊維が酸化されない程度の温度で揮発または焼尽できるものであり、たとえば、酢酸ェチノレ、アセトン、トノレェン、 1 , 2—ジメトキシェタン、ジエチレングリコーノレジメチルエーテルを含む。

[0028] 工程 Iにおいて添加してもよい接合補助材としての金属粉末 3は、組み合わせられる金属支持体 1と同種の材料で形成されて、加熱圧接後に金属支持体 1を形成する材料と一体化することが好ましい。また、金属粉末 3の粒径は、用いられる炭素繊維 2 にも依存するが、金属粉末 3の粒径は一般的には 10nm〜50 μ mの範囲内であることが望ましい。

[0029] 炭素繊維 2を長繊維として取り扱える場合に、特に大量生産に適した例示的形態を図 2に示す。金属支持体 1を卷出ロール 21から卷取ロール 22へと送る間に、ボビン 2 3から卷き解いた連続している炭素繊維 2を整列させながら金属支持体 1上に固定する。また、ボビン 23の数を増やすことによって、同時に 1000本以上の炭素繊維 2を金属支持体 1上に固定することができる。図 2の方法において、卷取ロール 22、ボビン 23、および任意選択の 1つまたは複数のテンションロール 24 (図 2においては 2個）を通すことによって、炭素繊維 2に対して、張力および金属支持体 1への押圧力が付与される。図 2の実施形態において、バインダーは、テンションロール 24通過後に炭素繊維 2に塗布してもよいし、あるいは金属支持体 1上への炭素繊維 2の整列後に塗布してもよい。

[0030] 一方、炭素繊維 2を短繊維として取り扱う場合、すなわち、チョップドファイバー、気相成長炭素繊維、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チューブ、マルチウォールカーボンナノチューブ、あるいはこれらの混合物のように長さが 50m m以下であり、炭素繊維 2を粉末に準じて扱える場合には、炭素繊維 2、または炭素繊維 2と金属粉末 3との粉末状混合物を、金属支持体 1上に散布して、図 1Bに示すような炭素繊維がランダムに配列されたプリフォーム 4bを形成することができる。粉末混合物の散布後にバインダーまたはバインダーを有機溶媒中に溶解させた溶液をスプレーなどの慣用の方法によって別個に塗布して、粉末混合物を金属支持体 1上に固定してもよい。また、自然付着によりバインダーを用いないで固定する方法も適用可能である。

[0031] あるいはまた、炭素繊維 2と、金属粉末 3と、有機溶媒とを混合した塗布混合物 7を形成し、金属支持体 1上に塗布および固定させてもよい。塗布混合物 7は、任意選択的にバインダーを含んでもよい。本工程において用いられる塗布混合物 7は、炭素繊維 2、金属粉末 3、ノくインダー（存在する場合)を溶媒とともに、ボールミルなどの慣用の攪拌装置中で混合することによって形成される。塗布混合物がバインダーを含まない場合、塗布混合物を金属支持体 1上に坦持させた後に、バインダーまたはバインダーを有機溶媒中に溶解させた溶液をスプレーなどの慣用の方法によって別個に塗布してもよレ、。この場合にも同様に、自然付着によりバインダーを用いないで固定する方法も適用可能である。塗布混合物 7の塗布は、図 3に示すような塗布混合物 7をノズル 31から吐出させて金属支持体 1上に炭素繊維 2を配置するノズノレプリント法、図 5に示すような塗布混合物 7を金属支持体 1上に吹付および乾燥させて炭素繊維 2を配置するスプレードライ法、またはスクリーン印刷法などの方法によって行うことができる。塗布混合物を用いる方法を採る場合には、図 1Bに示すような炭素繊維 2がランダムに配列されたプリフォーム 4bを形成することもできるし、図 1Cに示すような炭素繊維 2がー方向に整列されたプリフォーム 4cを形成することもできる。

[0032] 図 1Cに示すような炭素繊維 2が整列されたプリフォーム 4cを形成する場合には、前述のノズルプリント法が有利に用いられる。たとえば、ノズノレ 31の出口近傍に吐出方向に平行な整流板を設ける方法（図 4A)、ノズル 31の出口近傍の電界印加手段によつて吐出方向に平行な電界を印加する方法（図 4B)、あるいはノズル 31の出口近傍の磁界印加手段によって吐出方向に平行な磁界を印加する方法（図 4C)を用いて、ノズノレ 31を出る炭素繊維を吐出方向に平行に整列させることができる。これらの方法を用いることによって、ノズル 31の走路方向に平行に炭素繊維を整列させることが可能となる。なお、これらの方法を用いる場合には、炭素繊維 2のアスペクト比（炭素繊維長さ Z炭素繊維直径）が 10以上、好ましくは 100以上であることが望ましい。また、金属支持体 1上に炭素繊維 2を含有する塗布混合物 7を塗布する場合、金属支持体 1表面の全面に均一に塗布してもよぐあるいは図 3に示すように塗布混合物 7を 1つの方向（図 3においてはノズノレの走路方向）において連続させ、それと直交する方向におレ、て不連続とさせる縞状構造を有するプリフォーム 4dを形成してもよレ、。

[0033] 一方、図 1Bに示すような炭素繊維 2が整列されていないプリフォーム 4bを形成する場合には、前述のスプレードライ法を用いることが適当である。図 5に示すように吹付装置 51を用いて、金属支持体 1上に均一に塗布混合物 7を付着させることが望ましレ、。

[0034] 工程 IIは、図 1A〜図 1Cおよび図 3に示されるように、工程 Iにより調製された炭素繊維類が固定されたプリフォーム 4 (4a〜4dのいずれのものを用いてもよレ、）を所定の枚数積み重ねて、プリフォーム積層体 5を形成する工程である。工程 IVの加熱圧接の結果得られる金属基炭素繊維複合材料の寸法は、用いられる金属支持体 1、炭素繊維 2、および存在する場合には接合補助材の金属粉末 3の真密度から予測できるため、本工程においてプリフォーム 4を積層する枚数は容易に決定することができる。あるいはまた、図 2に示した方法で形成される卷取ロール 22に卷き取られたプリフオーム 4を用いる場合には、図 6に示されるようにプリフォームを卷き解いて裁断して所望の形状を有するプリフォーム 4aを得た後に、所定の枚数のプリフォーム 4aを積み重ねてプリフォーム積層体 5を形成することができる。

[0035] 工程 IIIの「脱バインダー」工程は、プリフォーム 4形成時にバインダーを用いた場合に実施することが好ましい任意選択の工程である。プリフォーム積層体 5を、押圧力を印加することなしに、不活性雰囲気または酸化性雰囲気下において、炭素繊維 2 の表面が酸化しない程度の温度に加熱することによって、バインダーおよび塗布混合物 7中に存在する有機溶媒を焼尽または揮発させて、バインダー不含有プリフォ一ム積層体 8を形成する。なお、金属支持体としてアルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金を用いる場合には、本工程を不活性雰囲気において実施することが好ましレ、。ここで、加熱温度は、 200〜400°Cの範囲内であることが好ましい。用いることができる不活性雰囲気は、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスなどを含み、または減圧条件を用いてもよい。用いることができる酸化性雰囲気は、空気、酸素富化空気、または純酸素などを含む。本工程は、図 7に示すようなたとえば積層セラミックコンデンサーの製造工程で使用されている脱バインダー炉 71などを用いることで、容易に工業化できる。なお、図 7においては、コンベア型の炉を示した力ボッタス型炉など当該技術において知られている任意の手段を用いることが可能である。

[0036] 工程 IVの加熱加圧工程は、工程 IIで得られるプリフォーム積層体 5 (バインダー不使用の場合)または工程 ΠΙで得られるバインダー不含有プリフォーム積層体 8を真空中または非酸化性雰囲気において、押圧力および熱を印加することにより、金属支持体 1および金属粉末 3の塑性変形および相互拡散を生じさせ、炭素繊維 2の周囲を金属で取り囲むことにより炭素繊維含有金属層を形成し、炭素繊維含有金属層と金属層とが交互に積層された金属基炭素繊維複合材料 6を得る工程である。

[0037] 本工程においては、プリフォーム積層体を、金属支持体としてアルミニウムおよびァノレミニゥムを基とする合金を用いる場合には、 500〜650°Cの範囲の温度、金属支持体としてマグネシウムおよびマグネシウムを基とする合金を用いる場合には、 500 〜630°Cの範囲の温度、金属支持体として銅および銅を基とする合金を用いる場合には、 800〜： 1050°Cの範囲の温度に加熱する。これらの温度は、慣用の金属溶湯法における金属溶湯の温度よりも低ぐしたがって本発明の方法においてエネルギ一消費量を低減することが可能となる。また、同時に、プリフォーム積層体に対して押圧力を印加する。具体的な押圧力は、金属支持体および金属粉末を構成する材料、所望の圧下率などに依存するが、一般的には 20〜： 100MPa、好ましくは 50〜： 100 MPaの押圧力を印加する。さらに、本工程における熱および押圧力の印加は、真空 (圧力 30Pa以下）中、または窒素、アルゴンなどの不活性ガスのような非酸化性雰囲気下で行って、金属支持体および金属粉末の酸化を抑制することが望ましい。

[0038] 本工程においては、プリフォーム積層体 5またはバインダー不含有プリフォーム積層体 8に対して押圧力と熱とを同時に印加することができる種々のタイプの加熱炉を用いることができる。たとえば、小規模の生産においては、図 8Aに示すホットプレス炉、または図 8Bに示すパルス通電焼結炉を用いることができる。たとえば、図 8Bに示したパルス通電焼結炉は、 20mm角穴〜 40mm角穴の矩形貫通穴を有するダイスと、その上下方向からダイス内の材料を圧縮するための上部および下部ポンチとを有し、それらポンチ間にパルス状の大電流を印加することにより、被圧縮材料の加圧および加熱を行うことができる装置である。大規模生産においては、図 9に示すようなシート状金属製造工程で用いられてレ、る熱間加圧ロール (ヒータ 91と複数の組の加圧ロール 92とを含む）を適用すれば、高い生産性で大面積の板状の金属基炭素繊維複合材料 6を得ることができる。

実施例 [0039] (実施例 1)

本実施例は、連続繊維として取り扱うことができる炭素繊維を用い、該炭素繊維が一方向に整列されている金属基炭素繊維複合材料を提供する。炭素繊維として直径 10 μ m、長さ方向に連続している熱伝導率 1000W/mKのピッチ系炭素繊維を用レ、、および金属支持体として厚さ 10 z mのアルミニウムフオイルを用いた。アルミ二ゥムフオイル上への炭素繊維の固定には、図 2に示した装置を用い、ボビンに卷かれた炭素繊維を引き出し、張力をかけながら接着剤として低分子量のポリエチレンダリコールを塗布した。張力により整歹した炭素繊維を卷き解かれたアルミニウムフォイノレに貼り付け、接着剤固化後にフォイルを卷き取る工程を連続して行なった。炭素繊維が貼り付けられたアルミニウムフオイル（プリフォーム）をロールから卷き解いて、 20 O X 300mmの寸法に切り出し、切り出された 500枚を積層し、最上面には炭素繊維の貼り付けが無レ、アルミニウムフオイルをカバーとして積層して、プリフォーム積層体を得た。このプリフォーム積層体を大気中、 350°Cに加熱することによって、接着剤として用いた低分子量のポリエチレングリコールを除去した。次に、図 9に示すような熱間加圧ロール（5組の加圧ロールを備える）を用いて、真空（lOPa)下、 500°Cにおレヽて、それぞれの加圧ロールにおいて 20MPaの圧力を印加して、圧下率 10%〜30 %においてプリフォーム積層体 5を加熱圧接して金属基炭素繊維複合材料 6を得た

[0040] この金属基炭素繊維複合材料 6は、積層方向において lmmの厚さを有し、総重量を基準として 40%程度の炭素繊維を含有し、繊維整列方向において、アルミニウム単体（熱伝導率約 200W/mK)の 2倍以上である 500W/mKの熱伝導率を示した。また、この複合材料の熱膨張率は、繊維整列方向において 5ppmZ°C、繊維に直交する方向において 10ppm/°Cであり、それぞれ、アルミニウム単体の 23ppm/°C の 1Z4 (繊維整列方向）および 1Z2 (繊維直交方向）程度まで抑制することができた。さらに、得られた金属基炭素繊維複合材料 6に対して曲率半径 5mm、曲げ角度 60 。の曲げ変形を加えたが、炭素繊維および金属ともに破断などの微細組織的破壊は認められず、熱伝導率あるいは熱膨張率の変化はほとんど生じていないものと考えられる。 [0041] (実施例 2)

本実施例は、短繊維として取り扱うことができる炭素繊維を用い、該炭素繊維がー方向に整列されている金属基炭素繊維複合材料を提供する。直径 200nm、長さ 5 〜20 μ πι、熱伝導率 2000W/mKの気相成長炭素繊維を、粒子サイズ lOOnm程度の銅粉末 30%とともにボールミルで混合した。得られた混合物に対して、アセトンおよびプル口ニック（登録商標） F68分散粘結剤を添加して混合し、インク状の塗布混合物を得た。得られた塗布混合物を、厚さ 6 x mの銅フオイルの全面にわたって、図 3に示すようなノズルプリント法により膜厚 6 μ mになるように印刷してプリフォームを形成し、プノレロニック（登録商標) F68分散粘結剤の固化後に、ロールに巻き取った。このプリフォームをロールから卷き解いて、 200 X 300mmの寸法に切り出し、切り出したプリフォームを 500枚積層し、最上面にはプリントされていない銅フォイルを積層して、プリフォーム積層体を得た。このプリフォーム積層体を、大気中 350°Cに加熱して、プル口ニック（登録商標） F68を揮発ないし焼尽させ、次いで、不活性雰囲気中、 700°Cにおいて、それぞれの加圧ロールにおいて 20MPaの圧力を印加して、圧下率 10 %〜 30 %の 5段熱間口ールによって、プリフォーム積層体を加熱圧接して金属基炭素繊維複合材料を得た。

[0042] 得られた金属基炭素繊維複合材料は、積層方向において lmmの厚さを有し、総重量を基準として 30質量％程度の炭素繊維を含有した。また、本実施例の金属基炭素繊維複合材料は、炭素繊維の整列した方向に関して、銅単体 (熱伝導率約 400 W/mK)の 1. 5倍である、 600W/mKの熱伝導率を有した。また、この複合材料の熱膨張率は、繊維整列方向において 7ppm/°C、繊維直交方向で 8ppm/°Cであり、銅単体の 17ppm/°Cの半分以下まで抑えられる。さらに、得られた金属基炭素繊維複合材料 6に対して曲率半径 5mm、曲げ角度 60°の曲げ変形を加えたが、炭素繊維および金属ともに破断などの微細組織的破壊は認められず、熱伝導率あるいは熱膨張率の変化はほとんど生じてレ、なレ、ものと考えられる。

[0043] (実施例 3)

本実施例は、連続繊維として取り扱うことができる炭素繊維を用い、該炭素繊維が一方向に整列され、小規模向けの方法であるパルス通電焼結法により形成される金属基炭素繊維複合材料を提供する。炭素繊維として直径 10 μ ΐη、長さ方向に連続している熱伝導率 1000W/mKのピッチ系炭素繊維を用い、接合補助材として平均粒子サイズ 30 μ mのアルミニウム粉末を用い、および金属支持体として厚さ 100 μ m のアルミニウムシートを用いた。最初に、アルミニウム粉末をエタノール溶媒中に懸濁させた。 6000本程度の炭素繊維を束状にして保持し、該懸濁液中に浸漬させ、次いでエタノールのみを揮発除去して、溶媒乾燥後も静電力によりアルミニウム粉末が炭素繊維表面に付着している状態の炭素繊維を得た。図 8Bに示すようなパルス通電焼結炉として、 20mm角穴の矩形貫通穴のあるダイスを有する炉を用いた。 40m m程度までの長さにおいては、ピッチ系炭素繊維は、張力を印加せずとも自己の弾性によって方向性を保つことができる。アルミニウム粉末を付着させた炭素繊維を 20 mm長さに裁断し、裁断後に下部ポンチをセットしたダイス中に一方向に整列させて配置し、その上にアルミニウムシートを配置した。そして、炭素繊維とアルミニウムシートとをそれぞれ 30層、ダイス中に交互に積層した。積層終了後に、ダイス中の積層体をポンチにて上下から挟み込んだ。パルス通電焼結炉全体を圧力 lOPaの真空に減圧し、上下のポンチに 25MPaの押圧力を印加し、同時に 600°Cに加熱して、積層方向におレ、て 5mmの厚さを有する金属基炭素繊維複合材料を得た。

[0044] 得られた金属基炭素繊維複合材料の断面の光学顕微鏡写真を図 10に示し、および走査型電子顕微鏡写真を図 11に示した。図 10および図 11から分かるように、本発明の金属基炭素繊維複合材料は、金属層（主としてアルミニウムシートに由来する )および炭素繊維含有金属層（主として、ピッチ系炭素繊維およびアルミニウム粉末に由来する）が交互に積層した構造を有することが分かる。また、アルミニウムシートと炭素繊維との間、およびアルミニウムシートとアルミニウム粉末との間の接合状態は良好であった。

[0045] (実施例 4)

本実施例は、短繊維として取り扱うことができる炭素繊維を用レ、、該炭素繊維がランダムに配列され、小規模向けの方法であるパルス通電焼結法により形成される金属基炭素繊維複合材料を提供する。炭素繊維として、直径 200nm、長さ 5〜20 z m、熱伝導率 2000W/mKの気相成長炭素繊維を用い、接合補助材として平均粒子サィズ 30 μ mのアルミニウム粉末を用い、および金属支持体として厚さ 100 μ mのアルミニゥムシートを用いた。気相成長炭素繊維 20部とアルミニウム粉末 80部とをェタノール溶媒中、ボールミルにて混合して、常温乾燥して炭素繊維/アルミニウム混合物を得た。

[0046] 20mm角穴の矩形貫通穴のあるダイスを有するパルス通電焼結炉を用レ、、下部ポンチをセットしたダイス中に、アルミニウムシートおよび前述の炭素繊維 Zアルミユウム混合物をそれぞれ 30層、交互に積層し、最後にアルミニウムシートを積層した。次いで、ダイスに上部ポンチをセットした。パルス通電焼結炉全体を圧力 lOPaの真空に減圧し、上下のポンチに 25MPaの押圧力を印加し、同時に 600°Cに加熱して、積層方向において 5mmの厚さを有する金属基炭素繊維複合材料を得た。

[0047] 得られた金属基炭素繊維複合材料の断面の走査型電子顕微鏡写真を図 12に示した。図 12から分かるように、本発明の金属基炭素繊維複合材料は、金属層（主としてアルミニウムシートに由来する）および炭素繊維含有金属層（主として、気相成長炭素繊維およびアルミニウム粉末に由来する）が交互に積層した構造を有することが分かる。また、アルミニウムシートと炭素繊維との間、およびアルミニウムシートとアルミニゥム粉末との間の接合状態は良好であった。

[0048] 上記の実施例において用いた金属支持体の材料はアルミニウムおよび銅のみであるが、本発明による金属基炭素繊維複合材料に求められる特性と、工業的な生産性から、これらの金属以外にマグネシウムまたはそれらを基とする合金を用いることも可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 金属と炭素繊維とを加熱圧接させて得られる金属基炭素繊維複合材料であって、前記金属層と炭素繊維含有金属層が交互に積み重なった構造を有する金属基炭素繊維複合材料。

[2] 前記炭素繊維が整列されてレ、ることを特徴とする請求項 1に記載の金属基炭素繊維複合材料。

[3] 前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、 PAN系炭素繊維、カーボンナノファイバー、気相成長炭素繊維、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブ、およびこれらの集合体もしくは撚合ワイヤーからなる群から選択される単体もしくは複合体力なることを特徴とする請求項 1に記載の金属基炭素繊維複合材料。

[4] 前記炭素繊維は、再加熱処理がなされたものであることを特徴とする請求項 1に記載の金属基炭素繊維複合材料。

[5] 前記金属は、銅、アルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金からなる群から選択されることを特徴とする請求項 1に記載の金属基炭素繊維複合材料。

[6] 積層方向に 0. 1〜： 10mmの厚さを有することを特徴とする請求項 1に記載の金属基炭素繊維複合材料。

[7] 曲率半径:!〜 30mmの曲げ変形を加えても、微細組織的破壊を生じないことを特徴とする請求項 6に記載の金属基炭素繊維複合材料。

[8] シート状もしくはフオイル状の金属支持体上に炭素繊維を付着させて、プリフォームを形成する工程と、

前記プリフォームを積み重ねて、プリフォーム積層体を形成する工程と、前記プリフォーム積層体を真空中または非酸化雰囲気中で加熱圧接して、前記プリフォーム同士を一体化させる工程と

を備えたことを特徴とする金属基炭素繊維複合材料の製造方法。

[9] 前記プリフォームを形成する工程は、炭素繊維と金属粉とを混合した混合物を前記金属支持体上に塗布することによって実施されることを特徴とする請求項 8に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。

[10] 炭素繊維を有機バインダーおよび溶剤と混合して塗布混合物を準備する工程と。シート状もしくはフオイル状の金属支持体上に前記塗布混合物を付着させて、金属支持体上に炭素繊維含有被膜が形成されたプリフォームを形成する工程と、前記プリフォームを積み重ねて、プリフォーム積層体を形成する工程と、前記プリフォーム積層体を真空中または非酸化雰囲気中で加熱圧接して、前記プリフォーム同士を一体化させる工程と

[11] 前記金属支持体上に塗布された炭素繊維含有被膜が、前記金属支持体全体を覆うことを特徴とする請求項 10に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。

[12] 前記金属支持体上に塗布された炭素繊維含有被膜が、 1方向には連続し、それと直交する方向には不連続であることを特徴とする請求項 10に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。

[13] 前記塗布混合物の付着が、前記塗布混合物中の炭素繊維を整列させながら実施され、製造される金属基炭素繊維複合材料中で炭素繊維が整列された構造を維持されることを特徴とする請求項 10に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。

[14] 前記塗布混合物の付着が、ノズノレプリント法で実施されることを特徴とする請求項 1 3に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。

[15] 前記塗布混合物の付着が、スプレードライ法により実施されることを特徴とする請求項 10に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。