(57)【要約】【課題】比較的低温の焼成処理により炭素成形体を製造してコスト削減を図るとともに、さらに熱伝導率を高めるようにした炭素基金属複合材料の製造方法を提供する。【解決手段】鱗片状天然黒鉛とピッチとを混合して混合物を生成する混合工程１０と、混合物を焼成して空隙を有する炭素成形体を成形する焼成工程２０と、炭素成形体の空隙に溶融金属を含浸させる含浸工程３０とを有する。焼成工程２０の焼成温度を６００℃〜２５００℃とする。鱗片状天然黒鉛として、３２メッシュの篩にかけて得られる３２メッシュの篩上の鱗片状天然黒鉛を用いる。鱗片状天然黒鉛とピッチとの混合時の体積比率を、９８：２〜８０：２０とする。溶融金属として、アルミニウムを用いる。ピッチとして、メソフェーズピッチを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鱗片状天然黒鉛とピッチとを混合して混合物を生成する混合工程と、前記混合物を焼成して空隙を有する炭素成形体を成形する焼成工程と、前記炭素成形体の空隙に溶融金属を含浸させる含浸工程とを有することを特徴とする炭素基金属複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記焼成工程の焼成温度が６００℃〜２５００℃であることを特徴とする請求項１に記載の炭素基金属複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記鱗片状天然黒鉛が、３２メッシュの篩にかけて得られる前記３２メッシュの篩上の鱗片状天然黒鉛であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の炭素基金属複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記鱗片状天然黒鉛と前記ピッチとの混合時の体積比率が、９８：２〜８０：２０であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１つに記載の炭素基金属複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記溶融金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１つに記載の炭素基金属複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記ピッチがメソフェーズピッチであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか１つに記載の炭素基金属複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱基盤等の材料として使用可能な炭素基金属複合材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、放熱基盤等の材料として、熱伝導率が高く熱膨張率が小さい材料の開発が求められている。こうした材料のうち、炭素材料の気孔に金属材料を充填することにより炭素材料と金属材料とを複合化した複合材料が提案されており、炭素材料への金属成分の含浸による製造方法が行われている。
【０００３】
しかし、一般に炭素材料と溶融金属は濡れ性が悪く、炭素材料への金属成分の含浸による製造方法では、炭素材料の気孔に溶融金属成分を十分に含浸させることは困難であった。特にアルミニウム含浸において、炭素成分と金属成分とが界面において反応し、炭素材料が劣化してしまうという問題があった。
【０００４】
これに対して、特許文献１には、炭素材料に含浸させる溶融金属の温度と、加圧含浸させる溶融金属の圧力を調整することにより、炭素材料の気孔に対する金属成分の置換割合を高めるようにした発明が記載されている。そして、炭素成分量が高割合で熱伝導率の高い炭素基金属複合材料を製造するようになっている。また、特許文献２には、このような炭素基金属複合体とアルミニウム押出材を組み合わせた放熱体に関する発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３６７３４３６号公報
【特許文献２】特開２０１０−６７８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された発明では、金属材料を含浸させるために用意する炭素材料について以下の問題がある。即ち、特許文献１には、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスを有する炭素材料として種々の材料が記載されているが、黒鉛系結晶を有する炭素成形体を得るために、２５００℃以上、特に、２８００℃以上の温度で焼成処理されることが記載されている。同様に、特許文献２には、使用する黒鉛に関して最終的に２５００℃以上で処理されることが記載されている。このような高温の焼成処理は、炭素成形体製造のコスト増加要因となる。
【０００７】
また、放熱基盤等として使用するための熱伝導率の向上に対する要請は、近年ますます増加傾向にあり、炭素基金属複合材料の熱伝導率にも改善の余地がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、比較的低温の焼成処理により炭素成形体を製造してコスト削減を図るとともに、さらに熱伝導率を高めるようにした炭素基金属複合材料の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、炭素基金属複合材料に使用する炭素成形体の材料として、安価で調達可能であって、熱伝導に方向性を持たせることが可能と考えられる鱗片状天然黒鉛に着目し、本発明を完成した。
【００１０】
即ち、本発明の炭素基金属複合材料の製造方法は、鱗片状天然黒鉛とピッチとを混合して混合物を生成する混合工程と、前記混合物を焼成して空隙を有する炭素成形体を成形する焼成工程と、前記炭素成形体の空隙に溶融金属を含浸させる含浸工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
また好ましくは、前記焼成工程の焼成温度が６００℃〜２５００℃であることを特徴とする。
【００１２】
また好ましくは、前記鱗片状天然黒鉛が、３２メッシュの篩にかけて得られる前記３２メッシュの篩上の鱗片状天然黒鉛であることを特徴とする。
【００１３】
また好ましくは、前記鱗片状天然黒鉛と前記ピッチとの混合時の体積比率が、９８：２〜８０：２０であることを特徴とする。
【００１４】
また好ましくは、前記溶融金属がアルミニウムであることを特徴とする。
【００１５】
また好ましくは、前記ピッチがメソフェーズピッチであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、混合工程において混合物を生成する材料として、鱗片状天然黒鉛とピッチとを用いることにより、人造黒鉛等に比べて安価で調達することができる。また、鱗片状天然黒鉛は、熱伝導に方向性を持たせることが可能と考えられ、放熱基盤等の材料として効果的に用いることができる。そして、焼成工程において混合物を焼成して空隙を有する炭素成形体を成形し、含浸工程において炭素成形体の空隙に溶融金属を含浸させることにより、コストを削減しつつ熱伝導率を高めた炭素基金属複合材料を得ることができる。
【００１７】
また、焼成工程の焼成温度を６００℃〜２５００℃とすることにより、比較的低温の焼成処理により炭素成形体を製造してコスト削減を図ることができる。
【００１８】
また、材料の鱗片状天然黒鉛として、３２メッシュの篩にかけて得られる３２メッシュの篩上の鱗片状天然黒鉛を用いることにより、比較的大径の黒鉛を用いて、熱伝導率を高めることができる。
【００１９】
また、鱗片状天然黒鉛とピッチとの混合時の体積比率を、９８：２〜８０：２０とすることにより、炭素成形体としての形状を維持しつつピッチの混合割合を小さくして、熱伝導率を高めることができる。
【００２０】
また、溶融金属としてアルミニウムを用いることにより、コストを抑えつつ熱伝導率や熱膨張率を向上させることができる。
【００２１】
また、ピッチとして分子構造に規則性があり熱処理に適したメソフェーズピッチを用いることにより、炭素成形体としての形状維持に効果的である。
【００２２】
以上、本発明によれば、比較的低温の焼成処理により炭素成形体を製造してコスト削減を図るとともに、さらに熱伝導率を高めるようにした炭素基金属複合材料の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る炭素基金属複合材料の製造方法の工程を示す図である。
【図２】混合工程を示す図である。
【図３】焼成工程を示す図である。
【図４】含浸工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図１〜図４を参照して、本発明の実施形態に係る炭素基金属複合材料の製造方法について説明する。まず、本実施形態に係る炭素基金属複合材料の製造方法において用いる材料について説明する。
【００２５】
（炭素成分）
炭素基金属複合材料の基本となる炭素成形体の材料として、黒鉛とピッチを用いる。使用する黒鉛は、鱗片状天然黒鉛とする。鱗片状天然黒鉛の粒径としては様々な大きさのものを用いることができるが、熱伝導率の向上の観点からは、比較的大径の黒鉛を用いることが好ましく、特に、３２メッシュの篩にかけて得られる３２メッシュの篩上の鱗片状天然黒鉛を用いるとよい。また、バインダーとして用いるピッチも特に限定されるものではないが、炭素成形体としての形状維持の観点からは、分子構造に規則性があり熱処理に適したメソフェーズピッチを用いることが好ましい。
【００２６】
（金属成分）
炭素成形体に含浸させる金属成分として、例えばアルミニウム、銅、銀等を挙げることができるが、特に限定されるものではない。ただし、熱伝導率や熱膨張率とコストとのバランスの観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。
【００２７】
次に、本実施形態に係る炭素基金属複合材料の製造方法の工程について説明する。本実施形態に係る炭素基金属複合材料の製造方法は、図１に示すように、混合工程１０、焼成工程２０、含浸工程３０の各工程を有している。
【００２８】
（混合工程）
炭素基金属複合材料の基本となる炭素成形体を成形するために、図２に示すように混合工程１０で、鱗片状天然黒鉛１とピッチ２とを混合して混合物３を得る。鱗片状天然黒鉛１とピッチ２との混合割合は、炭素成形体としての形状を維持しつつピッチの混合割合を小さくして熱伝導率を高めるために、鱗片状天然黒鉛：ピッチを９８：２〜７０：３０の範囲とすることが好ましい。特に、９８：２〜８０：２０の範囲とすることが好ましい。
【００２９】
混合時には、バインダーとなるピッチ２が鱗片状天然黒鉛１の全体にできるだけ均一に行き渡るように混合する。その方法は特に限定されないが、以下の方法により行うことが効果的である。まず、用意したピッチ２をアルコール中に入れて溶かす。次にピッチ２を溶かしたアルコールを鱗片状天然黒鉛１と混合する。アルコールは混合時の潤滑剤となるので、多めに使用することでより均一に混合することができる。これによりピッチ２が鱗片状天然黒鉛１の全体に行き渡るとともに、アルコール成分はその後の焼成処理により気化する。
【００３０】
さらに、鱗片状天然黒鉛１は元々平らな形状であるので、平らな状態で積層されて焼成されることにより、熱伝導に方向性を持たせることが可能と考えられる。従って、最終的な形状加工において熱伝導率の高い方向がどちらであるかを勘案しながら切削等を行うことにより、放熱基盤等の材料として効果的に用いることができる。
【００３１】
（焼成工程）
次に、図３に示すように焼成工程２０で、混合した混合物３を焼成する。焼成は従来公知の方法により行えばよいが、例えば型枠内に入れた混合物３を加圧しながら通電して焼結させる通電焼結機を用いるとよい。このときの焼成温度は、比較的低温で行えばよく、例えば６００℃〜２５００℃の範囲とすることができる。低温での焼成はコスト上有利であるが、従来は黒鉛の結晶化のために２５００℃以上、特に、２８００℃以上の温度で焼成処理されていた。本実施形態は、使用する材料や処理方法に着目して、２５００℃以下という比較的低温での焼成処理であっても必要な熱伝導率を得ることができるようにしたものである。なお、６００℃は、使用するピッチ内の不純物が燃焼し始める温度である。
【００３２】
焼成工程２０により、空隙を有する炭素成形体４を得ることができる。なお、得られた炭素成形体４の空隙には、次の含浸工程３０で溶融金属が含浸されるため、最終的に得られる炭素基金属複合材料における金属成分の割合を考慮して、炭素成形体における空隙割合を調整する必要がある。最終的に得られる炭素基金属複合材料に対する金属成分の割合は、２０％〜４０％とすることが好ましい。そのために、型枠内に入れた混合物３に加える圧力を適宜調整する。
【００３３】
（含浸工程）
次に、図４に示すように含浸工程３０で、焼成工程２０で得られた炭素成形体４に溶融金属５を含浸させる。含浸は、従来公知の方法により行うことができる。含浸工程３０により、炭素基金属複合材料６が得られる。得られた炭素基金属複合材料６は、使用目的に応じて適宜形状加工される。
【実施例】
【００３４】
以下に、本実施形態に係る炭素基金属複合材料の製造方法についての実施例を示す。
（実施条件）
・炭素成形体の材料として、３２メッシュの篩にかけて得られる３２メッシュの篩上の鱗片状天然黒鉛とメソフェーズピッチを用いた。黒鉛の粒径は、０．３ｍｍ〜１．２ｍｍ程度であった。また、メソフェーズピッチは、粒径によりミドルサイズ（Ｍ：０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ）とスモールサイズ（Ｓ：０．０５ｍｍ以下）の２種類を用いた。これらの材料を混合した混合物を通電焼結機により加圧しながら通電して、空隙を有する炭素成形体を焼成した。焼成した炭素成形体の空隙に金属成分としてアルミニウムを含浸させて炭素基金属複合材料とした。各材料の割合と焼成温度を変更しながら、７種類の試料を得た。
・得られた試料について、比熱、比重、熱拡散率を測定し、これらの積により熱伝導率を算出した。測定はレーザーフラッシュ法により行い、測定装置として「ＮＥＴＺＳＣＨ社製  ＬＦＡ４５７」を使用した。なお、熱伝導率の測定にあたっては、熱伝導率の高い方向（積層した鱗片状天然黒鉛の平らな形状に沿った方向）について測定できるように、予め試料を切削しておいた。
【００３５】
以上の、実施条件に従い測定した結果を表１に示す。なお、表１において「炭素成形体％」は、炭素基金属複合材料（炭素成分と金属成分の合計）を１００％とした場合の、炭素成形体の体積割合を示している。また、「黒鉛％」と「ピッチ％」は、炭素成形体（炭素成分のみ）を１００％とした場合の、黒鉛とピッチ（Ｍ、Ｓ）の体積割合を示している。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表１に示すように、焼成温度が９００℃、１５００℃、２０００℃、２２００℃といった比較的低温の焼成処理により炭素成形体を焼成した場合であっても、高い熱伝導率を有する炭素基金属複合材料を製造することができた。
【００３８】
本実施形態に係る炭素基金属複合材料の製造方法によれば、混合工程１０において混合物３を生成する材料として、鱗片状天然黒鉛１とピッチ２とを用いることにより、人造黒鉛等に比べて安価で調達することができる。また、鱗片状天然黒鉛１は、熱伝導に方向性を持たせることが可能と考えられ、放熱基盤等の材料として効果的に用いることができる。そして、焼成工程２０において混合物３を焼成して空隙を有する炭素成形体４を成形し、含浸工程３０において炭素成形体４の空隙に溶融金属５を含浸させることにより、コストを削減しつつ熱伝導率を高めた炭素基金属複合材料６を得ることができる。
【００３９】
また、焼成工程２０の焼成温度を６００℃〜２５００℃とすることにより、比較的低温の焼成処理により炭素成形体４を製造してコスト削減を図ることができる。
【００４０】
また、材料の鱗片状天然黒鉛１として、３２メッシュの篩にかけて得られる３２メッシュの篩上の鱗片状天然黒鉛１を用いることにより、比較的大径の黒鉛を用いて、熱伝導率を高めることができる。
【００４１】
また、鱗片状天然黒鉛１とピッチ２との混合時の体積比率を、９８：２〜８０：２０とすることにより、炭素成形体４としての形状を維持しつつピッチの混合割合を小さくして、熱伝導率を高めることができる。
【００４２】
また、溶融金属５としてアルミニウムを用いることにより、コストを抑えつつ熱伝導率や熱膨張率を向上させることができる。
【００４３】
また、ピッチとして分子構造に規則性があり熱処理に適したメソフェーズピッチを用いることにより、炭素成形体４としての形状維持に効果的である。
【００４４】
以上、本発明によれば、比較的低温の焼成処理により炭素成形体を製造してコスト削減を図るとともに、さらに熱伝導率を高めるようにした炭素基金属複合材料の製造方法を提供することができる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  鱗片状天然黒鉛
２  ピッチ
３  混合物
４  炭素成形体
５  溶融金属
６  炭素基金属複合材料
１０  混合工程
２０  焼成工程
３０  含浸工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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