(57)【要約】【課題】本発明は、金属マトリクスと微細炭素系充填材を含む放熱用複合材において、複合材の熱伝導性を好適に高めることを課題とする。【解決手段】本発明は、金属マトリクスと微細炭素系充填材を含む放熱用複合材を粉末成型により製造する方法において、金属粉と微細炭素系充填材と酸化グラフェンを分散混合させる混合工程と、前記混合工程で得られた混合物を加圧成形微細炭素系充填材及び酸化グラフェンをマトリクス中で連続的に結合させる成形工程と、前記成形工程で得られた成形物を焼結する焼結工程と、を含み、マトリクス中において微細炭素系充填材及び酸化グラフェンが連続的に結合した熱伝導パスを形成するようにした。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属マトリクスと微細炭素系充填材を含む放熱用複合材の製造方法において、
金属粉と微細炭素系充填材と酸化グラフェンを分散混合させる混合工程と、
前記混合工程で得られた混合粉を加圧成形する工程と、
前記成形工程で得られた成形物を焼結する焼結工程と、
を含むことを特徴とする放熱用複合材の製造方法。
【請求項２】
成形工程では、混合粉のせん断流動を付与する請求項１に記載の放熱用複合材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記混合工程は、有機溶媒に酸化グラフェンが分散された溶液を前記金属粉に吹き付ける工程を含むことを特徴とする放熱用複合材の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１の項において、前記金属粉は、アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末であることを特徴とする放熱用複合材の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の製造方法により製造されることを特徴とする放熱用複合材。
【請求項６】
金属粉に、少なくとも酸化グラフェンと微細炭素系充填材とが混合された放熱用複合材製造用の混合粉。
【請求項７】
請求項６に記載の混合粉を用いて粉末冶金によって成形された放熱用複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンク等の放熱器として用いられる複合材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱する機械や電気部品には、フィンを備えた放熱器（ヒートシンク）が取り付けられている。このような放熱器は、アルミニウムや銅の金属により形成されていた。しかしながら、近年では、機械や電機部品の性能向上に伴う発熱量の増加に対応するため、より放熱性の高い放熱器が望まれている。
【０００３】
上記したような要求に対し、金属と炭素繊維の複合材により放熱器を形成する方法が提案されている。金属と炭素繊維の複合材としては、例えば、金属種を含むマトリクス材料の微粒子と、ピッチ系黒鉛化炭素繊維およびまたはピッチ系黒鉛化炭素繊維集合体とを粉体圧縮成形し、加圧下又は真空下で加熱を施すことにより微粒子を熔融させた後に焼結させることにより一体複合化したものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０３４０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、放熱器の素材として用いられる複合材においては、マトリクス中で炭素繊維を所望の熱伝導方向に沿って連続的に結合させることが望ましいが、金属微粒子と炭素繊維を加圧成形する際に炭素繊維同士が連続的に結合しない可能性がある。これに対し、複合材に含まれる炭素繊維の体積比を大きくする方法も考えられるが、複合材の強度が低下する可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属マトリクスと微細炭素系充填材を含む放熱用複合材において、複合材の熱伝導性を好適に高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、金属マトリクスと微細炭素系充填材を含む放熱用複合材の製造方法において、
金属粉と微細炭素系充填材と酸化グラフェンを分散混合させる混合工程と、
前記混合工程で得られた混合粉を加圧成形する成形工程と、
前記成形工程で得られた成形物を焼結する焼結工程と、
を含むことを特徴とする。
【０００８】
金属粉と微細炭素系充填材と酸化グラフェンが混合されると、金属粉の表面に酸化グラフェンが付着する。その際、酸化グラフェンは、シート状の形状を有するため、金属粉の表面に密着する。さらに、金属粉の表面に付着した酸化グラフェンに微細炭素系充填材が凝着する。すなわち、酸化グラフェンは、各金属粉と微細炭素系充填材のバインダとして機能する。したがって、微細炭素系充填材が金属粉中に均一に分散するように混合される。
【０００９】
成形工程では、混合粉が金型内に充填される際には、酸化グラフェンを介して金属粉に付着した微細炭素系充填材が、金属粉の流動及び変形方向に、金属粉と共に配向される。
そして、粉末プレス時に、金型内での金属粉の流動・圧密成形中の金属粒子の凝集・変形に伴って、金属粉が圧縮されるので、金属粉に付着している金属粒子間の微細炭素系充填材が圧縮方向に連続的に密に結合された圧粉体が成形される。この圧粉体を焼結することで、マトリック中で酸化グラフェン、微細炭素系充填材が密につながった放熱用複合材が実現できる。
【００１０】
したがって、本発明に係わる放熱用複合材の製造方法によれば、酸化グラフェン及び微細炭素系充填材が連続的に結合した熱伝導パスをマトリクス中に形成することができる。さらに、微細炭素系充填材が酸化グラフェンに凝着（凝集）するため、前記熱伝導パスの容量を大きくすることもできる。また、酸化グラフェンの添加により微細炭素系充填材の凝集性が高くなると、複合材に含まれる微細炭素系充填材や酸化グラフェンの体積比を必要最小限に抑えることも可能になるため、複合材の強度低下を抑制することも可能になる。
【００１１】
成形工程では、混合粉のせん断流動を付与させてもよい。
このように酸化グラフェンがせん断方向へ流動すると、酸化グラフェンに凝着している微細炭素系充填材がせん断方向に配列されやすくなる。その際、微細炭素系充填材が金属粉のせん断変形およびまたは酸化グラフェンの流動に追従することにより、微細炭素系充填材の向きが一様になる。その結果、酸化グラフェン及び微細炭素系充填材は、せん断方向に沿って連続的に結合して熱伝導パスを形成する。すなわち、微細炭素系充填材は圧縮方向に密に結合されると共に、せん断方向に配向される。
このせん断流動は、相対密度が低い状態の圧粉体（グリーン体）に、せん断変形を与えることが好適であり、そのせん断方向へ繊維を揃えやすい。
なお、成形工程における加圧は、熱伝導パスの向きに対応した一方向であってもよいが、マトリクスの流動性に応じて多方向から加圧してもよい。また、加圧の方向を一方向としつつ、非加圧部位毎に加圧速度を異ならせてもよい。一方、成形工程における混合粉の温度条件は、常温であってもよいが、マトリクスの流動性に応じて常温より高い温度へ昇温（加熱）されてもよい。
【００１２】
なお、本発明に係わる放熱用複合材の製造方法において、前記混合工程は、有機溶媒に酸化グラフェンが分散された溶液を前記金属粉に吹き付ける工程と、前記溶液が吹き付けられた金属粉を乾燥させる工程と、を含むようにしてもよい。
【００１３】
このような製造方法によれば、金属粉の表面に酸化グラフェンを分散させることができるとともに、金属粉と酸化グラフェンの密着性を高めることができる。その結果、前記成形工程において酸化グラフェンが金属とともに流動し易くなる。
【００１４】
ここで、前記金属粉としては、熱伝導率の高い金属、例えば、アルミニウム（純アルミニウム）やアルミニウム合金の粉末を用いることができる。その場合、複合材の放熱性を高めることができる。
【００１５】
また、前記微細炭素系充填材としては、たとえば、短炭素繊維を用いることができる。短炭素系繊維としては、ピッチ系の短炭素繊維、若しくはＰＡＮ系の長繊維を短くカットしたものを使用することができるが、熱伝導性に優れたピッチ系の短炭素繊維を使用することが好ましい。また、複合材の熱伝導性を高めるという観点によれば、短炭素繊維の代わりに、あるいは短炭素繊維と共に、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）やグラフェンを用いてもよい。カーボンナノチューブは、酸化グラフェンと共に表面機能剤としても機能する。
また、本発明の放熱用複合材製造用の混合粉は、金属粉に、少なくとも酸化グラフェンと微細炭素系充填材とが混合されたものである。
さらに、本発明の放熱用複合材は、この放熱用複合材製造用の混合粉を用いて粉末冶金によって成形されたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、金属マトリクスと微細炭素系充填材を含む放熱用複合材において、複合材の熱伝導性を好適に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係わる放熱用複合材の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】アルミニウム粉と短炭素繊維と酸化グラフェンの混合粉を示す図である。
【図３】成形工程において金型に混合粉を充填した状態を示す図である。
【図４】成形工程において加圧によるアルミニウムのせん断流動状態を示す図である。
【図５】成形工程の終了時における成形物の状態を示す断面図である。
【図６】（Ａ）はフリクションの付与例を示す図、（Ｂ）は本発明が適用されたヒートシンクの構成例を示す図、（Ｃ）は（Ｂ）の部分拡大図、（Ｄ）及び（Ｅ）は（Ｂ）のヒートシンクを成形する金型構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１９】
図１は、本発明に係わる放熱用複合材の構成を模式的に示す断面図である。図１において、放熱用複合材１は、金属質のマトリクス２と、微細炭素系充填材としての短炭素繊維３及び酸化グラフェン４が連続的に結合した熱伝導パス１０と、を備えた複合材であり、粉末成型により製造される。マトリクス２としては、熱伝導率の高い金属、例えば、純アルミニウムやアルミニウム合金を用いることが好適である。また、短炭素繊維３としては、熱伝導率の高いピッチ系の短炭素繊維を用いることが好適である。
【００２０】
ここで、放熱法複合材１の製造方法について図２乃至図５に基づいて説明する。先ず、第一の工程として、マトリクスとしての純アルミニウムの粉末（アルミニウム粉）と短炭素繊維と酸化グラフェンを分散混合させる（混合工程）。なお、酸化グラフェンは、アンモニア等の有機溶媒に分散し易いため、有機溶媒に酸化グラフェンが分散された溶液を金属粉に吹き付けつつ金属粉と短炭素繊維を混合させ、次いで混合粉を乾燥させるようにしてもよい。その際、アルミニウム粉に酸化グラフェン溶液を吹き付けた後に短炭素繊維を混合させるようにしてもよい。また、酸化グラフェン溶液が吹き付けられた金属粉を乾燥させた後に、短炭素繊維と混合させてもよい。
【００２１】
前記溶液が金属粉に吹き付けられると、金属粉の表面上に酸化グラフェンが均一に分散される。前記溶液の吹き付け後に金属粉が乾燥されると、シート状の酸化グラフェンが金属粉の表面に密着する。一方、短炭素繊維は酸化グラフェンに凝着されるため、短炭素繊維が酸化グラフェンを介して金属粉に付着する。その結果、図２に示すように、アルミニウム粉２０の表面に酸化グラフェン４が分散された状態で密着し、該酸化グラフェン４に短炭素繊維３が凝着した混合粉が形成される。すなわち、短炭素繊維３がアルミニウム粉２０中に均一に分散するように混合される。
【００２２】
第二の工程では、図３に示すように、前記混合分を金型に充填し、次いで図４に示すよ
うに混合粉を上下方向に加圧して所望の形状に成形する（成形工程）。
成形工程では、混合粉が金型内に充填される際には、酸化グラフェンを介してアルミニウム粉２０に付着した短炭素繊維３が、アルミニウム粉の流動及び変形方向に、アルミニウム粉２０と共に配向される。
そして、粉末プレス時に、金型内でのアルミニウム粉２０の流動・圧密成形中のアルミニウム粒子の凝集・変形に伴って、アルミニウム粉２０が圧縮されるので、アルミニウム粉２０に付着している短炭素繊維３が圧縮方向に連続的に密に結合された圧粉体が成形される。短炭素繊維３が連続的につながった部分は、図５に示すように熱伝導パス１０となる。実際には、短炭素繊維３はアルミニウム金属粉２０の表面に均等に凝集して分散しているので、あらゆる方向に短炭素繊維３は連続的につながっており、あらゆる方向に熱伝導パス１０を想定することができる。
この圧粉体を焼結することで、マトリック中で酸化グラフェン、短炭素繊維が密につながった放熱用複合材が実現できる。
【００２３】
成形工程では、アルミニウム粉のせん断流動を付与させてもよい。
せん断流動場は、たとえば、図６（Ａ）に示すように、粉末成形用の金型６を構成するダイ、パンチとの接触部のフリクションを利用して付与することができる。
図示例では、ダイ孔内のアルミニウム粉２０内に挿入されたパンチ７を相対移動させることにより、アルミニウム粉２０とパンチ７との接触部に生じるフリクションによってせん断流動場が生じさせることができる。このせん断流動場においては、アルミニウム粉２０がせん断方向へ流動する。その際、アルミニウム粉２０の表面に付着していた酸化グラフェン４もせん断方向へ流動する。このように酸化グラフェン４がせん断方向へ流動すると、酸化グラフェン４に凝着している短炭素繊維３もせん断方向に流動する。その結果、熱伝導パス１０の方向に短炭素繊維３を配向させることができる。すなわち、短炭素繊維３は、せん断方向に配向されつつ圧縮方向に密に結合されることになる。
【００２４】
なお、図３に示す例では、混合粉が上下方向の一方向に加圧される例について述べたが、マトリクスや酸化グラフェンの流動性によっては多方向から混合粉が加圧されてもよい。また、加圧方向を一方向としつつ、被加圧部位毎に加圧の速度を相違させることにより、マトリクスのせん断流動を促進させてもよい。これらの加圧方法は、マトリクスとして使用される金属の種類、短炭素繊維の寸法、短炭素繊維の含有率、若しくは酸化グラフェンの含有率等に応じて適宜選択されればよい。同様に、加圧の速度や温度条件についても、マトリクスとして使用される金属の種類、短炭素繊維の寸法、短炭素繊維の含有率、若しくは酸化グラフェンの含有率等に応じて適宜調整されればよい。短炭素繊維の長さ、アスペクト比等は成形品の形状寸法、アルミニウム粉の粒径等によって適宜選択されるが、アルミニウム粉末に付着して、アルミニウム粉末中で分散混合される程度の長さであり、分散混合が困難な長繊維を除く意味である。
一般的には、長繊維に対して、５ｍｍ以下の繊維を包括的に短炭素繊維と呼ばれるが、本発明では５ｍｍに厳密に限定されるものではなく、アルミニウム粉末が分散混合される長さであればよい。実際には、アルミニウム粉末中に長繊維を入れてスタートしても、混合する過程で切れて短炭素繊維となることが多い。
【００２５】
次に、第三の工程では、前記第二の工程で生成された成形物を非酸化性雰囲気の焼結路において焼結させる。その結果、前述した図１に示したような放熱用複合材１が生成される。
【００２６】
以上述べた製造方法により製造される放熱用複合材１は、短炭素繊維３が結合された熱伝導パス１０を介して熱を伝導することができる。さらに、前記第一の工程およびまたは第二の工程において短炭素繊維３は酸化グラフェン４に凝集するため、熱伝導パス１０の容量が大きくなる。また、短炭素繊維３及び酸化グラフェン４の凝集性が高くなると、放
熱用複合材１に含まれる短炭素繊維３や酸化グラフェン４の体積比を小さくすることができるため、放熱用複合材１の強度低下を抑制することもできる。
【００２７】
本実施例の放熱用複合材１は、機械や電機部品等の発熱体に取り付けられるヒートシンクとして用いることもできる。その場合、放熱用複合材１は、該放熱用複合材１と発熱体の接触面が熱伝導パス１０と垂直になるように配置されるものとする。このように放熱用複合材１が配置されると、発熱体の熱が熱伝導パス１０を介して効率的に放熱される。また、本実施例の放熱用複合材１が放熱用のフィンを有するヒートシンクとして形成される場合は、フィンの表面に熱伝導パス１０が形成されるように放熱用複合材１を生成することにより、熱伝達係数の実効値を高めるようにしてもよい。
図６（Ｂ）、（Ｃ）には、ヒートシンクの一例を示している。
ヒートシンクは、ベース部１１０に対して複数のフィン１２０が直交方向に立設されている。ベース部の底面が発熱体との接触面で、ベース部１１０からフィン１２０に至る短炭素繊維が連続する熱伝導パスが形成されている。
図６（Ｄ）、（Ｅ）には、ヒートシンクを成形するための粉末成形用金型の一例を示している。この金型は、図６（Ｄ）に示すように、ダイ孔２１０aを備えたダイ２１０と、
ダイ孔２１０ａ内に挿入される複数の下パンチ２２０と、複数の上パンチ２３０を備えている。そして、ダイ２１０、複数の下パンチ２２０及び複数の上パンチ２３０の相対移動によって（図６（Ｅ））、ダイ孔２１０ａ内に充填された混合粉を、各フィンに対応する部分（フィンとベース部の一部）と、フィンとフィンの間の部分（ベース部の一部）に区分して圧縮するようになっている。
各上パンチ２３０、下パンチ２２０及びダイ２１０が相対移動する際に、各パンチと混合粉とのフリクションによって、混合粉にせん断流動が付与される。図示例では、下パンチ２２０と上パンチ２３０の両方から粉末を圧縮する両押し構成なので、ダイ孔２３０ａの内周面と粉末接触部でのフリクション、下パンチ２２０と粉末接触部でのフリクションによってせん断流が生じ、このせん断流に沿って短炭素繊維３が配向される。フリクションが生じるのは、粉末がある程度押し固められた状態でせん断流が発生する。
なお、せん断流動場の付与方法としては、このような金型構造に限定されるものではなく、成形する放熱用複合材の形状に応じて適宜選択される。
【００２８】
なお、本実施例においては、金属粉と短炭素繊維を加圧成形する例について述べたが、短炭素繊維の代わりに、あるいは短炭素繊維と共にカーボンナノチューブやグラフェンを用いることにより、熱伝導率をより高めてもよい。短炭素繊維の代わりに、あるいは短炭素繊維と共に、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いてもよい。カーボンナノチューブは、酸化グラフェンと共に表面機能剤としても機能する。
グラフェンはグラファイトを構成している平面状の炭素結合体であり、カーボンナノチューブはパイプ状あるいは筒状の炭素の結合状態で、グラフェンが曲面になったものである。グラフェン、カーボンナノチューブは、共に、結合している面内の熱伝導率が極めて高いため、粉末のせん断方向にこれらの面方向を向けると熱伝導率が大幅に向上する。ここで、グラフェン、カーボンナノチューブは、六角セルの集合のみの完全な形態だけでなく、五角形や七角形のセルを含む種々の亜種の形態が含まれる。要するに、熱伝導性の高い微細炭素系充填材であれば適用可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１  放熱用複合材
２  アルミニウム
３  短炭素繊維
４  酸化グラフェン
１０  熱伝導パス
２０  アルミニウム粉
【図１】
2014141746.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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