(57)【要約】  本発明は、せいぜい１００ｎｍの厚みの金属被覆を有するグラファイトフィルムならびに、例えばグラファイトフィルムの連続蒸着によるその製造、および使用に関する。金属層の厚みがわずかにも関わらず、グラファイトフィルムはろう付けによって互いにまたは、金属または金属被覆された材料からなる他の構成部材と接合することができる。そのうえ薄い金属被覆は、粒子の崩壊、剥離または分裂に対してグラファイトフィルムの表面を保護する。
2009505850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆の厚みがせいぜい１００ｎｍであることを特徴とする、少なくとも１つの表面上に金属の被覆を有するグラファイトフィルム。
【請求項２】
被覆が、金属のアルミニウム、銅、ニッケル、銀、金または白金金属の少なくとも１つを含有することを特徴とする、請求項１記載の金属被覆されたグラファイトフィルム。
【請求項３】
グラファイトフィルムが樹脂で含浸されていることを特徴とする、請求項１記載の金属被覆されたグラファイトフィルム。
【請求項４】
グラファイトフィルムの表面の選択された領域のみが金属で被覆されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の金属被覆されたグラファイトフィルム。
【請求項５】
金属層上にまたは／および金属で被覆されなかった表面上に１０μｍまでの厚みを有する接着剤層が存在し、該接着剤層は剥離可能なフィルムによって覆われていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の金属被覆されたグラファイトフィルム。
【請求項６】
その金属被覆された表面が外側を指し示すようにグラファイトフィルムが配置されており、そのためラミネートの２つの外面が金属被覆を有する、請求項１記載の片面を金属被覆された２つのグラファイトフィルムからなるラミネート。
【請求項７】
半製品の平面の少なくとも１つおよび端部の少なくとも１つが、せいぜい１００ｎｍの厚みを有する金属の被覆を有することを特徴とする、グラファイトフィルムからなる平面状のまたはストリップ形状の半製品。
【請求項８】
殊に電子機器中における、熱の伝達、誘導または分配のための、請求項１から５までのいずれか１項記載の金属被覆されたグラファイトフィルム、請求項６記載の金属被覆されたグラファイトフィルムからなるラミネートもしくは請求項７記載の半製品の使用。
【請求項９】
熱交換器、冷却体、熱分散器または燃料電池スタックのためのバイポーラ冷却プレートを製造するための、請求項１から４までのいずれか１項記載の金属被覆されたグラファイトフィルム、請求項６記載の金属被覆されたグラファイトフィルムからなるラミネートもしくは請求項７記載の半製品の使用。
【請求項１０】
請求項１から４までのいずれか１項記載の金属被覆されたグラファイトフィルムからなる半製品または構成部材、請求項６記載のラミネートもしくは請求項７記載の半製品を互いにまたは他の金属被覆された材料または金属からなる半製品または構成部材と接合するための方法において、構成部材を互いにろう付けするかまたは溶接することを特徴とする方法。
【請求項１１】
グラファイトフィルムと凹部を有する金属からなるベースプレートまたは、その壁が金属被覆されている凹部を有するグラファイトからなるベースプレートとからなる冷却フィンを包含する冷却体であって、その際、フィンが凹部の内部にろう付けされている冷却体において、グラファイトフィルムからなる冷却フィンが少なくとも、凹部の内部に向かって突出する表面領域において請求項１記載の金属層で被覆されていることを特徴とする冷却体。
【請求項１２】
以下の工程
・グラファイトフィルムからなるウェブをプラスチックフィルムで片面を覆い隠す工程
・所望される層厚において所望される金属で連続的に蒸着する工程
・覆い隠した部分を機械的に除去する工程
を包含する、グラファイトフィルムの片面に金属の被覆を製造するための方法。
【請求項１３】
グラファイトフィルムをＰＥＴからなるフィルムで覆い隠すことを特徴とする、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
グラファイトフィルムを樹脂で含浸することを特徴とする、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
被覆されなかったままである選択した表面領域をマスキングにより覆うことを特徴とする、請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、せいぜい１００ｎｍの厚みの金属の被覆を有するグラファイトフィルムならびにそれらの製造および使用に関する。
【０００２】
グラファイトフィルムは、グラファイト膨張体の凝縮および圧縮によって製造される。グラファイト膨張体は、グラファイト侵入型化合物もしくはグラファイト塩、例えばグラファイト硫酸水素塩またはグラファイト硝酸塩を衝撃的に加熱すると生じる。その際、グラファイト粒子の体積は２００〜４００倍に増大しかつ、かさ密度は２〜２０ｇ／ｌに低下する。そのように得られたグラファイト膨張体は、虫状またはアコーディオン状の嵩張ったアグリゲートからなる。これらの粒子が圧力下で凝縮する場合、それらは互いに固定し合いかつ結び付く。この効果に基づき、バインダーの添加なしに自立式の平面状形成物、例えばフィルムまたはプレートが製造されうる。グラファイトフィルムは、平面における、すなわちプレス方向に垂直に、高い電気的および熱的な伝導率、および隣接表面への容易な適合性によって特徴づけられる。
【０００３】
特定の使用のためにグラファイトフィルムの少なくとも１つの表面で、面全体または部分的に金属の被覆を備え付ける必要がある。この被覆は種々の機能、例えば機械的強化、熱的および電気的な伝導率の上昇および腐食防止を実現しうる。そのうえ金属表面は、グラファイトフィルムの構成部材がろう付け箇所または溶接接合部によって他の、殊に金属構成部材または膨張したグラファイトからなる他の構成部材と接合されるべき場合に殊に必要となる。
【０００４】
特許ＵＳ５１００７３７は、少なくとも１つの層のグラファイトフィルムと、その表面の少なくとも一方で、例えば銅またはニッケルの金属層を有する可撓性の層状複合材料を開示する。グラファイトフィルムの厚みは０．１〜１０ｍｍであり、金属層の厚みは１〜２００μｍ、有利には３〜５０μｍの間にある。層状複合材料は、電気シールド、パッキングにおいてまたは冷却体（ヒートシンク）として使用される。場合によりグラファイト層または／および金属層上には、より多くのこのような層状複合材料を互いに接合するために付加的な結合層が準備されている。結合層は、薄い金属層（厚み１〜５μｍ）としてまたは粘着層として形成されていてよい。
金属層の製造は、有利には化学めっき（すなわち還元剤を用いた無電解めっき）または電気めっきによって行われる。たしかに、溶融金属による噴霧、溶射、真空めっき技術またはＣＶＤのような他の金属被覆法も基本的には除外されないが、しかしながらこれらの方法は連続運転への適性が不足しているためあまり優遇されない。そのうえ薄層をこれらの技術により得ることが困難なことが浮き彫りとなる。
【０００５】
特許ＤＥ２８１７３７１Ｃ２から、同様に金属被覆されたグラファイトフィルムが公知である。そのような金属被覆されたグラファイトフィルムの積層配置は研摩体として電気機械のブラシ(Kontaktbuersten)において使用される。層の施与は、電気めっき、化学無電解めっき、プラズマめっきまたはイオンめっき、スパッタリングまたは蒸着のような公知の薄膜法に従って行われうる。蒸着技術は有利である。それというのも、この場合、グラファイトフィルムへの金属のとりわけ良好な接着が達成されるからである。いずれの場合も、被覆に際して１００℃を上回るグラファイトフィルムの加熱は回避されるべきである。なぜなら、さもなければグラファイトフィルムは非常に強くガスを発生しかつそれによって金属の接着が低下するからである。施与された層の厚みは０．１〜５００μｍ、有利には１〜５０μｍである。
【０００６】
本発明は、少なくとも片面に金属被覆を有するグラファイトフィルムに関し、その際、金属層はせいぜい１００ｎｍの厚みを有する。
【０００７】
殊に本発明はまた、平面状のストリップ形状等のグラファイトフィルムの半製品に関し、その際、半製品の平面(Flachseiten)の少なくとも１つおよび端部の少なくとも１つは、せいぜい１００ｎｍの厚みを有する金属の被覆を有する。
【０００８】
本発明による被覆されたグラファイトフィルムは、より多くの有利な特性を有する。例えば意想外にも、僅かにしか過ぎない金属層の厚みにも関わらず、本発明によるグラファイトフィルムは、困難を伴わずにろう付けによって金属または金属被覆されたグラファイトからなる他の構成部材と接合されうることが確認された。そのうえ薄い金属被覆は、グラファイト粒子の崩壊、剥離または分裂に対するグラファイトフィルムの表面および場合によりまたグラファイトフィルムの半製品の端部のきわめて優れた保護をもたらす。
【０００９】
本発明のさらに他の一課題は、グラファイトフィルム上に、その厚みが１００ｎｍを超過しない金属被覆を製造するための方法を供給するという点にある。
【００１０】
さらに本発明は、そのような被覆されたグラファイトフィルムの組み合わせ物ならびにそれらの使用に関する。
【００１１】
本発明のさらなる細目および利点は、以下の詳細に記述された説明および実施例および図から明らかになる。
【００１２】
図１は、例えば本発明により被覆されたグラファイトフィルムの半製品が互いにろう付けされている構成部材を示す。
【００１３】
図２は、そのフィンが、固定領域において本発明により被覆されたグラファイトフィルムからなる冷却体を示す。
【００１４】
グラファイトフィルムを被覆する金属または複数の金属は、意図された使用に応じて選択される。例えば金属または金属被覆された材料からなる他の構成部材へのろう付け接合を作製することを可能にするアルミニウムまたは銅の被覆、ならびにニッケル、銀、金または白金金属の被覆が挙げられる。被覆はより多くの金属を含有してもよい。
【００１５】
グラファイトフィルムの拡張した平面、例えばウェブ(Bahnen)が被覆されるべき場合、例えば所望される金属による連続蒸着を用いて行われる。使用される装置に依存してその際に有利でありうるのは、引裂強度を高めるためにプラスチックフィルム、例えばＰＥＴからなるフィルムで片面を覆い隠すことによってグラファイトフィルムを強化することである。一方で覆い隠されなかった表面上では、グラファイトフィルムは片面が金属により蒸着される。プラスチックフィルムは、蒸着が行われた後、被覆されなかったグラファイトフィルムの表面から機械的に再び除去される。
【００１６】
しかしながら、本発明はこの方法とは結び付いておらず、本発明による被覆されたグラファイトフィルムの製造のために、例えば飛散させることによって（スパッタリング）およびイオンビーム法によって被覆するような"ＰＶＤ"法（物理蒸着）の群からの他の方法も適している。
【００１７】
これらの製造法の代替案は、金属層を電気めっきまたは無電解めっきするという点にある。
【００１８】
グラファイトフィルムの連続的なウェブの代わりに、すでに意図された使用に必要とされる大きさおよび形状、例えば正方形または長方形のフィルム断片またはフィルム細片を有するグラファイトフィルムの個々の半製品にも、せいぜい１００ｎｍの厚みを有する金属層が備え付けられうる。半製品は、ここでは一般的に、連続的なフィルムウェブとは対照的に限定された平面状の拡張を有するグラファイトフィルムの形成物と理解され、その際、この面の形状は任意のものでありかつ意図された使用に本質的に従う。
【００１９】
この手法は、平面の他にフィルム断片の端部も被覆されうるという利点を有する。処理、加工、設置等に際して、すなわち、殊に平面状のストリップ形状等の半製品の端部は、衝突等によって機械的荷重が負荷される。それゆえ平面の他に端部もまた、グラファイト粒子の崩壊、剥離または分裂に対して適切な被覆によって保護することがとりわけ所望される。これは、本発明に従う被覆によって可能となる。
【００２０】
蒸着法に際して、場合によりフィルム断片の端部にてシャドーイング効果を防止するために、蒸着源の位置決めもしくは配置が相応して変えられなければならない。
【００２１】
所望される場合、グラファイトフィルムの表面の特定の領域は遮蔽されうるので、該領域は被覆されないままとなる。例えば選択された領域の被覆によって、グラファイトフィルムの表面上で特定の構造物（型）が形成されうる。
【００２２】
まず片面が金属で被覆されたグラファイトフィルムから、片面が被覆された２つのフィルムをラミネートすることによって（その際、被覆された表面はそのつど外側に向いている）、両面が、すなわち両方の外面にて、金属で被覆されたグラファイトフィルムのラミネートが製造されうる。
【００２３】
代替案は、被覆されるべきフィルムの引張強度が比較的低く設定される蒸着装置を使用し、そのため覆い隠す必要がなくなる場合、一過程において両面の被覆も可能となる。
【００２４】
被覆されるべきグラファイトフィルムは、最大１．９ｇ／ｃｍ３、有利には０．３〜１．９ｇ／ｃｍ３およびとりわけ有利には０．３〜１．３ｇ／ｃｍ３の密度を有する。
【００２５】
必要な場合、グラファイトフィルムは、フィルムにおける細孔を充填しかつ閉じるために樹脂等で金属層の施与前に含浸してよい。それによって、フィルム上でめっきされるべき金属がフィルムの内部へ達するのが防止される。
【００２６】
とりわけ有利であるのは、電解浴からの金属の電気めっきまたは無電解めっき前のフィルムの含浸である。なぜなら、含浸によって液体電解質が細孔中に入り込むことが防止され、そのため、引き続き行われる被覆されたフィルムの乾燥のための費用が低減されるからである。
【００２７】
例えば本発明による金属被覆されたグラファイトフィルムは、熱の伝達、誘導および分配のために、例えば電子機器中において使用されうる。
【００２８】
電子機器中における熱管理のためのグラファイトフィルムの使用は、例えば特許明細書ＵＳ６４８２５２０から公知である。この文献は、熱源を包含する熱管理装置を開示し、該熱源はその外側の表面の一つが、熱誘導に利用されるグラファイトフィルムの一つ、いわゆる熱インターフェースと接触している。熱源からそれたグラファイトフィルムの表面は冷却体と任意に接触する。特許出願ＵＳ２００２／０１６３０７６の中で記載されるこの熱インターフェースの発展形態において、グラファイトフィルムの剥離を防止するために、熱源からそれた表面および場合によりまたフィルムの端部を保護被覆で備え付けることが提案される。種々のプラスチックからなる被覆が提案されていた。しかしながら、これらの被覆は熱的にほとんど伝導性ではないので、熱を誘導するという熱インターフェースの本来の機能はそれによって損なわれる。
【００２９】
それとは対照的に、本発明により提案される金属被覆は、グラファイト粒子の剥離に対する表面の保護の利点と熱的な伝導性の利点とを結び付ける。
【００３０】
グラファイトフィルムにおいて熱伝導性は異方性に形成され、フィルム平面における熱伝導の利点を有し、金属においてはそれとは逆に等方性に形成される。つまりグラファイトフィルム内では、有利には横方の熱伝播のために広い平面状での熱の分配が行われ、一方でその等方性に基づきまたフィルム平面を横切って大いに熱を伝導する金属層によって、グラファイトフィルム中への熱の導入または該グラファイトフィルムからの熱の誘導がもたらされうる。
【００３１】
ろう付け接合および溶接接合を作製する可能性に基づき、相応して形作られた本発明による被覆されたグラファイトフィルムの平面状の半製品から、場合により金属被覆された他の材料または金属からなる構成部材との組み合わせにおいて三次元構造物が組み立てられうる。このように、本発明により被覆されたグラファイトフィルムは、例えば熱交換器、熱分散器（ヒートスプレッダ）、燃料電池スタックのための冷却体またはバイポーラ冷却プレートの製造のために使用されうる。これらのおよびさらに他の考えられる使用において、ろう付け接合および溶接接合を作製する本発明の利点の他に、電流もしくはグラファイトフィルムにおける熱の横方の伝導と電流もしくは金属層における熱の等方性の伝導との組み合わせもまた利用されうる。
【００３２】
必要とされる半製品、例えば正方形または長方形のフィルム断片またはフィルム細片は、本発明により被覆されたグラファイトフィルムから切断されるかまたは打ち抜かれる。代替的に、被覆されなかったフィルムウェブから所望される半製品が切断されるかまたは打ち抜かれえかつこれらは次いで被覆されうる。
【００３３】
この手法は、半製品の平面の他に端部にも金属被覆を備え付けることができるという利点を有するので、半製品は端部の領域においてもグラファイト粒子の崩壊、剥離または分裂に対して保護される。
【００３４】
金属被覆されたグラファイトフィルムのラミネートも、半製品として三次元構造物を組み立てるために使用されうる。
【００３５】
金属被覆されたグラファイトフィルムの固定が、ろう付けまたは溶接によって可能ではないかまたは適していない適用事例のために、金属被覆上に薄い接着剤層を施与してもよい。しかしながらこれは、金属層への熱伝達を損なわないために可能な限り薄くあるべきである。良好な結果は１０μｍの厚みの接着剤層により得られる。
【００３６】
同様に、金属で被覆されなかったグラファイトフィルムの側も他の構成部材に固定させることが予定される場合、これは同じように薄い接着剤層により行われうる。
【００３７】
接着剤の施与は、適用前に直接行ってよい。代替的に、接着剤層を有する金属被覆されたグラファイトフィルムは、金属層上でまたは／および金属で被覆されなかった表面上で前もって作り上げてよく、それは剥離性のプラスチックフィルムで覆われかつ使用前に初めて直接取り外される。
【００３８】
実施例１：
薄い金属層でグラファイトフィルムを被覆するための方法
厚み０．４ｍｍおよび密度１．２ｇ／ｃｍ３を有するグラファイトフィルムのウェブを、片面を厚み１２μｍのＰＥＴフィルムで覆い隠し、グラファイトフィルムの引張強さを上昇させる。フィルムの長さは約５０ｍで、幅は約１ｍであった。グラファイトフィルムとＰＥＴフィルムとからなるこのフィルム複合材料を、連続的に作動する高真空−被覆装置中で、片面をＰＥＴフィルムで覆われなかったグラファイトフィルムの表面上でアルミニウムにより蒸着させた。被覆装置中におけるフィルムの循環速度は約５ｍ／ｓであった。アルミニウム層の厚みを測定するために、被覆したフィルム複合材料から３０×７０ｍｍ２の大きさの試験体を打ち抜いた。ＰＥＴフィルムは機械的に試験体から除去した。原子発光分析法（ＩＣＰ−ＡＥＳ）により、残留するグラファイト−アルミニウムの層状複合材料のアルミニウム含量を測定した（２６０μｇ）。試験体の平面およびアルミニウム層のペーストとから、アルミニウム層の平面に対するペーストを算出した（０．１２ｇ／ｍ２）。アルミニウムの密度（２．７ｇ／ｃｍ３）を基にしてそこから、蒸着されたアルミニウム層の厚みを約４５ｎｍと計算した。
【００３９】
実施例２：
本発明によりアルミニウムで被覆されたグラファイトフィルム間のろう付け接合の作製
実施例１に相応して片側を薄いアルミニウムの被覆２で備え付けたグラファイトフィルム１上に、さらに他の片側をアルミニウム２’で被覆したグラファイトフィルムからなるストリップ(Streifen)３をろう付けした。（図１を参照のこと）。
【００４０】
そのためにまず商業的に得られる、"Ａｍａｓａｎ"（製造元：Ａｒｍａｃｋ  ＧｍｂＨ社−Ｌｏｅｔｔｅｃｈｎｉｋ）の名称で販売されかつアルミニウムおよび軽金属ＡＬＵ２２のろう付けのために適している硬ろう粉末を水で混練した。このペーストを、ろう付けされるべきフィルムストリップのアルミニウムで被覆された側にブラシで施与しかつ平均粒径＜１００μｍのアルミニウム粉末（製造元：Ｓｃｈｌｅｎｋ  Ｍｅｔａｌｌｐｕｌｖｅｒ  ＧｍｂＨ  ＆  Ｃｏ．ＫＧ社）で散布した。引き続き、ろう付けされるべきフィルムストリップを、実施例１の中で記載される方法に従って被覆されたグラファイトフィルムのアルミニウムで被覆された側に置き、かつ定着させるために使われる２枚のプレート間で冷たい炉の中に取り付けた。該炉を、約２時間で６５０℃に加熱した。この温度を２０分間保ち、引き続き試験体を炉の中で十分に冷却した。
ろう付けしたフィルムストリップは非常に良くグラファイトフィルムに付着していた。強化するためにグラファイトフィルムの真空被覆中にアルミニウムでラミネートしたＰＥＴフィルムを、炉の運転中に残留物不含に熱処理した。比較的ゆっくりと加熱することによって、フィルムのガス発生による気泡形成が阻止された。
ろう付けしたプレートの厚みは、重なり合った位置で約０．４ｍｍ（ろう付け層）増大する。アルミニウム層は、視覚的にこの位置にてもはや確認することはできなかった。
図１に相応してそのように製造した構造物から、さらに他の本発明による被覆したグラファイトフィルムを第一のグラファイトフィルム１にろう付けしたストリップ３にろう付けすることによってチャネル構造物を形成することができ、これは特に熱交換器において使用することができる。
【００４１】
実施例２に対する比較例
比較試験において、前記方法に従って、被覆しなかったグラファイトフィルムのストリップを被覆しなかったグラファイトフィルムにろう付けした。ろう付けした部材間の付着力は、この試験に際して明らかに、アルミニウムで被覆したグラファイトフィルム間の溶接接合の場合より低くなっていた。ストリップの幾つかは完全にゆるんでいて、他の部分は少なくとも部分的に支持層から剥がれていた。
【００４２】
実施例３
グラファイトフィルムからなる内部にろう付けされたフィンを有する冷却体
図２に従う冷却体はグラファイトフィルムからなる冷却フィン(Kuehlfinnen)４を含有し、それはベースプレート５から突出しかつ熱をこれからそらす。通常は金属からなるベースプレート５の表面では、冷却フィン４を組み入れるために凹部が準備されている。冷却フィン４は、ベースプレートの凹部の内部にろう付けされている。そのために、グラファイトフィルムからなる冷却フィン４は、少なくとも凹部の内部に向かって突出する（固定領域）その表面の領域中において本発明による金属被覆が備え付けられている。
代替的にグラファイトからなるベースプレートを使用してよく、該プレートにおいて凹部の壁面は金属で被覆されているので、固定領域において本発明による金属被覆が備え付けられているグラファイトフィルムからなるフィンは、ろう付けすることによってベースプレートの凹部の内部に固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明により被覆されたグラファイトフィルムの半製品が互いにろう付けされている構成部材を示す図
【図２】そのフィンが、固定領域において本発明により被覆されたグラファイトフィルムからなる冷却体を示す図
【符号の説明】
【００４４】
１  グラファイトフィルム、  ２  アルミニウム、  ２’  アルミニウム、  ３  グラファイトフィルムからなるストリップ、  ４  冷却フィン、  ５  ベースプレート
【図１】
2009505850.tif 000003
【図２】
2009505850.tif 000004
【国際調査報告】
2009505850.tif 000005
2009505850.tif 000006
2009505850.tif 000007
2009505850.tif 000008