(57)【要約】【課題】金属−炭素粒子複合材の平面方向における熱特性の均一化を図ることができる金属−炭素粒子複合材の製造方法を提供すること。【解決手段】金属−炭素粒子複合材の製造方法は、バインダー１３ａを溶媒又は分散媒１３ｂで溶解又は分散して調製されたバインダー液１３を金属箔１０上に塗布し、その後、金属箔１０上に多数の炭素粒子３を付着させ、次いでバインダー液１３の溶媒又は分散媒１３ｂが除去されるように金属箔１０を乾燥することにより、金属箔１０上に炭素粒子３を有するプリフォーム箔１２を得る工程と、プリフォーム箔１２が複数積層された状態の積層体を形成する工程と、積層体を焼結する工程と、を含む。【選択図】図３
2019157173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダーを溶媒又は分散媒で溶解又は分散して調製されたバインダー液を金属箔上に塗布し、その後、前記金属箔上に多数の炭素粒子を付着させ、次いで前記バインダー液の前記溶媒又は前記分散媒が除去されるように前記金属箔を乾燥することにより、前記金属箔上に前記炭素粒子を有するプリフォーム箔を得る工程と、
前記プリフォーム箔が複数積層された状態の積層体を形成する工程と、
前記積層体を焼結する工程と、を含む金属−炭素粒子複合材の製造方法。
【請求項２】
前記プリフォーム箔を得る工程では、前記金属箔上への前記炭素粒子の付着を、前記炭素粒子を前記金属箔上へ振り掛けることにより行う請求項１記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
【請求項３】
前記プリフォーム箔を得る工程では、前記金属箔上への前記炭素粒子の付着を、前記炭素粒子を前記金属箔上へ吹き付けることにより行う請求項１記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
【請求項４】
前記プリフォーム箔を得る工程では、前記金属箔上への前記炭素粒子の付着を、前記炭素粒子が浮遊している気体中に前記金属箔を配置することにより行う請求項１記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−炭素粒子複合材の製造方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書及び特許請求の範囲では、特に文中に明示した場合を除いて、「アルミニウム」の語は純アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む意味で用いられ、「銅」の語は純銅及び銅合金の双方を含む意味で用いられる。
【背景技術】
【０００３】
金属としてアルミニウムの放熱性を向上させるとともにアルミニウムの線膨張率をコントロールした材料として、アルミニウム−炭素粒子複合材が提案されている。
【０００４】
このような複合材の製造方法として、溶融したアルミニウムに炭素粒子としての炭素繊維を入れて撹拌混合し冷却凝固させる方法（溶湯撹拌法）、空隙を有する炭素成形体内に溶融したアルミニウムを押し込む方法（溶湯鍛造法）、アルミニウム粉末と炭素粒子としての炭素粉末との混合物を加圧加熱焼成する方法（粉末冶金法）、アルミニウム粉末と炭素粒子としての炭素粉末との混合物を押出加工する方法（粉末押出法）などが知られている。
【０００５】
これらの方法では、溶融したアルミニウムやアルミニウム粉末を用いるので、製造作業が煩雑であるし、製造設備が大型化していた。
【０００６】
また、特許第５１５０９０５号公報（特許文献１）は、炭素繊維を有機バインダー及び溶媒と混合して塗布混合物を準備し、次いで塗布混合物をシート状又はフォイル状の金属支持体上に塗布することでプリフォーム箔を形成し、その後、プリフォーム箔を複数積み重ねて積層体を形成し、そして積層体を加熱圧接してプリフォーム箔同士を一体化させることにより、金属−炭素繊維複合材（金属基炭素繊維複合材）を製造する方法を開示している。
【０００７】
金属−炭素繊維複合材の製造方法を開示したその他の文献としては、特許第５１４５５９１号公報（特許文献２）及び特開２０１５−２５１５８号公報（特許文献３）がある。
【０００８】
上述の特許文献１−３に開示された方法により得られる金属−炭素繊維複合材などの金属−炭素粒子複合材では、金属マトリックスからなる金属層と金属マトリックス中に炭素繊維等の炭素粒子が分散した炭素粒子分散層とが交互に複数積層された状態に接合一体化されている。
【０００９】
ここで、以下では、金属層と炭素粒子分散層とが交互に複数積層された状態に接合一体化された金属−炭素粒子複合材において、金属層及び炭素粒子分散層の積層方向を当該複合材の厚さ方向と定義し、更に、厚さ方向に対して垂直な面及びその方向を当該複合材の平面及び平面方向と定義する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第５１５０９０５号公報
【特許文献２】特許第５１４５５９１号公報
【特許文献３】特開２０１５−２５１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の特許文献１−３に開示された方法には次のような欠点があった。
【００１２】
炭素繊維等の炭素粒子をバインダー溶液（例：有機バインダーを溶媒で溶解したもの）と混合した混合物を金属箔等の金属支持体上に塗布する際には一般に塗布装置が用いられる。各種塗布装置のうち汎用の塗布装置であるグラビアコーターを用いて混合物を金属支持体上に塗布する場合、グラビアコーターのグラビアロールとドクターブレードとの間の狭いギャップに混合物中の炭素粒子が引っ掛かり易い。特に炭素粒子が鱗片状黒鉛粒子である場合にこのような引っ掛かりが生じ易い。
【００１３】
炭素粒子がギャップに引っ掛かった場合、これが塗布筋の原因となって金属支持体の表面方向における炭素粒子の分布状態が不均一になり、その結果、廃棄する必要のある部分が生じて歩留まりが低下し、製造コスト上昇の原因となる。さらに、ギャップに引っ掛かった炭素粒子で金属支持体が傷付いて混合物の塗布時に金属支持体が破断する虞がある。
【００１４】
なお、金属層と炭素粒子分散層とが交互に複数積層された状態に接合一体化された金属−炭素粒子複合材では、金属支持体の表面方向が当該複合材の平面方向と一致する。
【００１５】
また、炭素粒子が例えば炭素繊維である場合、炭素粒子がギャップを通過する際に一方向に揃い易い。炭素繊維が一方向に揃った場合、得られる金属−炭素粒子複合材の平面方向における熱特性（例：熱伝導率、線膨張率）に異方性が生じ易い。
【００１６】
上述のような問題は、塗布装置がグラビアコーターである場合に限らず、炭素粒子が通過する狭い隙間を有する塗布装置で発生し易い。
【００１７】
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、平面方向における熱特性の均一化を図ることができる金属−炭素粒子複合材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は以下の手段を提供する。
【００１９】
［１］  バインダーを溶媒又は分散媒で溶解又は分散して調製されたバインダー液を金属箔上に塗布し、その後、前記金属箔上に多数の炭素粒子を付着させ、次いで前記バインダー液の前記溶媒又は前記分散媒が除去されるように前記金属箔を乾燥することにより、前記金属箔上に前記炭素粒子を有するプリフォーム箔を得る工程と、
前記プリフォーム箔が複数積層された状態の積層体を形成する工程と、
前記積層体を焼結する工程と、を含む金属−炭素粒子複合材の製造方法。
【００２０】
［２］  前記プリフォーム箔を得る工程では、前記金属箔上への前記炭素粒子の付着を、前記炭素粒子を前記金属箔上へ振り掛けることにより行う前項１記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
【００２１】
［３］  前記プリフォーム箔を得る工程では、前記金属箔上への前記炭素粒子の付着を、前記炭素粒子を前記金属箔上へ吹き付けることにより行う前項１記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
【００２２】
［４］  前記プリフォーム箔を得る工程では、前記金属箔上への前記炭素粒子の付着を、前記炭素粒子が浮遊している気体中に前記金属箔を配置することにより行う前項１記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
【発明の効果】
【００２３】
前項１は次のような効果を奏する。
【００２４】
プリフォーム箔を得る工程において、金属箔上にバインダー液を塗布した後で金属箔上に多数の炭素粒子を付着させることにより、上述のような問題が発生せず、すなわち、塗布装置の狭い隙間に炭素粒子が引っ掛かったり炭素粒子が一方向に揃ったりしない。そのため、金属−炭素粒子複合材の平面方向における熱特性の均一化を図り得る。
【００２５】
前項２〜４によれば、炭素粒子を金属箔上に確実に付着させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の製造方法により得られる金属−炭素粒子複合材の概略断面図である。
【図２】図２は、同複合材の製造方法の流れ図である。
【図３】図３は、プリフォーム箔の条材を得る工程を説明する概略図である。
【図４】図４は、図３中のＡ位置での金属箔の条材の概略斜視図である。
【図５】図５は、炭素粒子が鱗片状黒鉛粒子である場合における図３中のＢ位置での金属箔の条材（プリフォーム箔の条材）の概略斜視図である。
【図６】図６は、炭素粒子が炭素繊維である場合における図３中のＢ位置での金属箔の条材（プリフォーム箔の条材）の概略斜視図である。
【図７】図７は、プリフォーム箔の条材を切断するときの概略図である。
【図８】図８は、プリフォーム箔を複数積層する途中の概略断面図である。
【図９】図９は、積層体を焼結する途中の概略断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の製造方法におけるプリフォーム箔の条材を得る工程を説明する概略図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の製造方法におけるプリフォーム箔の条材を得る工程を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。
【００２８】
図１〜９は、本発明の第１実施形態に係る金属−炭素粒子複合材及びその製造方法を説明する図である。
【００２９】
図１に示すように、本第１実施形態の金属−炭素粒子複合材１は金属マトリックス２と金属マトリックス２中に分散した多数の炭素粒子３とを含むものである。このような複合材１は金属基炭素粒子複合材とも呼ばれている。
【００３０】
詳述すると、複合材１は、金属マトリックス２からなる金属層４と金属マトリックス２中に多数の炭素粒子３が複合材１の平面方向に分散した炭素粒子分散層５とが交互に複数積層された状態に接合一体化（詳述すると焼結一体化）されたものである。各金属層４中には炭素粒子３は実質的に存在していない。
【００３１】
複合材１の厚さ方向の各最外側の金属層４は、複合材１の厚さ方向の各外面を保護する保護層６としての役割も有している。保護層６は、複合材１中の炭素粒子３が複合材１の厚さ方向の各外面に露出したり各外面から脱落したりするのを抑制するために複合材１の外面を保護するものである。
【００３２】
金属マトリックス２の金属の種類は限定されるものではなく、なるべく高い熱伝導性を有するものであることが望ましく、具体的にはアルミニウム、銅などであることが望ましい。
【００３３】
炭素粒子３の種類は限定されるものでなく、特に、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であることが望ましく、更に、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン及び天然黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種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金属−炭素粒子複合材を得ることができるし、金属マトリックス２の金属がアルミニウムである場合にはアルミニウムと炭素粒子３との複合化を確実に行うことができるからである。
【００３４】
炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などが用いられる。
【００３５】
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）などが用いられる。
【００３６】
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が用いられる。
【００３７】
天然黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛粒子（例：高熱伝導性鱗片状黒鉛粒子）などが用いられる。
【００３８】
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が用いられる。
【００３９】
炭素粒子３の大きさは限定されるものではない。炭素粒子３が炭素繊維である場合、平均繊維長さが１０μｍ〜２ｍｍの短炭素繊維が特に好適に用いられる。炭素粒子３がカーボンナノチューブである場合、平均長さが１μｍ〜１０μｍのカーボンナノチューブが特に好適に用いられる。炭素粒子３が天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子である場合、最長軸方向の平均長さが１０μｍ〜３ｍｍの天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子が特に好適に用いられる。
【００４０】
複合材１の製造方法について以下に説明する。
【００４１】
図２に示すように、複合材１の製造方法は、プリフォーム箔の条材を得る工程Ｓ１と、積層体を形成する工程Ｓ２と、積層体を焼結する工程Ｓ３とを含むとともに、この記載の順に行われる。
【００４２】
プリフォーム箔の条材を得る工程Ｓ１では、図３に示すように、バインダー１３ａを溶媒又は分散媒１３ｂで溶解又は分散して調製されたバインダー液１３が金属支持体としての金属箔１０の条材１０Ａ（即ち、長尺な帯状の金属箔１０）上に塗布装置２０により塗布され、その後、金属箔１０の条材１０Ａ上に多数の炭素粒子３が炭素粒子付着装置３０により付着され、次いでバインダー液１３の溶媒又は分散媒１３ｂが蒸発除去されるように金属箔１０の条材１０Ａが乾燥装置４０により乾燥される。これにより、金属箔１０の条材１０Ａ上に炭素粒子３を有するプリフォーム箔１２の条材１２Ａ（即ち、長尺な帯状のプリフォーム箔１２）が得られる。
【００４３】
ここで、金属箔１０の条材１０Ａにおけるバインダー液１３が塗布される面は、金属箔１０の条材１０Ａの厚さ方向の両表面のうち少なくとも一方の表面１０ａであり、本第１実施形態では図４に示すように金属箔１０の条材１０Ａの両表面のうちいずれか一方の表面１０ａである。以下では、この表面１０ａを金属箔１０の条材１０Ａの塗布予定面１０ａという。
【００４４】
金属箔１０の条材１０Ａの金属材料は、複合材１の金属マトリックス２を形成するものである。したがって、金属マトリックス２が例えばアルミニウムマトリックスである場合、金属箔１０の条材１０Ａとしてアルミニウム箔の条材が用いられ、金属マトリックス２が例えば銅である場合、金属箔１０の条材１０Ａとして銅箔の条材が用いられる。
【００４５】
金属箔１０の条材１０Ａとしてアルミニウム箔の条材が用いられる場合、アルミニウム箔の条材の材質は限定されるものではなく、例えば、純アルミニウム系合金（例：Ａ１０８５）、アルミニウム合金（例：Ａ３００３）である。
【００４６】
金属箔１０の条材１０Ａとして銅箔の条材が用いられる場合、銅箔の条材の材質は限定されるものではなく、例えば、純銅、圧延銅、電解銅である。
【００４７】
さらに、金属箔１０の条材１０Ａとしてアルミニウム箔の条材が用いられる場合、アルミニウム箔の条材の表面には圧延油が残存していることがある。もし圧延油が残存していると、アルミニウム箔の条材の表面においてバインダー液１３が圧延油で弾かれることがある。そこで、バインダー液１３を塗布する前に、アルミニウム箔の条材の表面に対して再洗浄、コロナ放電処理、紫外線照射、プラズマ処理などの表面処理を施し、これにより、アルミニウム箔の条材の表面におけるバインダー液１３に対する濡れ性を向上させておくことが望ましい。
【００４８】
金属箔１０の条材１０Ａの厚さは限定されるものではなく、特に５〜１００μｍであることが望ましい。金属箔１０の条材１０Ａの厚さが５μｍ以上であることにより、金属箔１０の条材１０Ａの破断を確実に抑制することができる。金属箔１０の条材１０Ａの厚さが１００μｍ以下であることにより、複合材１の熱伝導率を確実に高めることができる。
【００４９】
バインダー液１３は、バインダー１３ａとバインダー１３ａを溶解又は分散した溶媒又は分散媒１３ｂとを含むものである。具体的には、バインダー液１３は、バインダー１３ａを溶媒１３ｂで溶解して調製されたバインダー溶液か、バインダー１３ａを分散媒１３ｂで分散して調製されたバインダー分散液である。しかし、バインダー液１３は炭素粒子３を含んでいない。
【００５０】
バインダー１３ａは、炭素粒子３を金属箔１０の条材１０Ａ上に結着する役目を有するものであり、通常、樹脂からなる。
【００５１】
バインダー１３ａは加熱すると有機物の焼結残渣やアモルファス炭化物になり易く、これらは複合材１中に残存すると複合材１の熱伝導率を低下させる要因となる。したがって、バインダー１３ａとして、非酸化性雰囲気中にて２００〜６００℃の温度で昇華、熱分解などにより消失するものを用いることが望ましい。
【００５２】
このようなバインダー１３ａとして、各種水溶性高分子、有機溶媒又は分散媒系高分子、各種合成樹脂、天然ゴム（ＮＲ）、合成ゴムなどが用いられる。
【００５３】
各種水溶性高分子としては、天然高分子（例：アラビアガム、カラギーナン、グアガム、ローカストビーンガム、ペクチン、トラガント、トウモロコシデンプン、キサンタンガム、デキストリン、ゼラチン、カゼイン、コンドロイチン硫酸ナトリウム）、天然系高分子誘導体（例：エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、ニトロセルロース、カチオン化セルロース、リン酸化デンプン、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸プロピレングリコール、カチオン化グアガム、ヒアルロン酸ナトリウム）、合成高分子（例：ポリアクリル酸ナトリウム、カルボキシビニルポリマー、ポリアクリル酸アミド、アクリルアミド／アクリレート共重合体、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ＰＶＰ／ＶＡ共重合体、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド）などが用いられる。
【００５４】
有機溶媒又は分散媒系高分子としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリウレタン、ポリアクリレート、エチレンビニルアルコール（ＥＶＯＨ）、ポリテトラフルオロエチレンなどが用いられる。
【００５５】
各種合成樹脂としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリスチレン樹脂、エポキシ樹脂などが用いられる。
【００５６】
合成ゴムとしては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、イソプチレン・イソプレンゴム（ブチルゴム）（ＩＩＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ニトリルゴム）（ＮＢＲ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ、ＡＮＭ）、ウレタンゴム（ＡＵ、ＥＵ）、多硫化ゴム（Ｔ）、塩素化ブチルゴム、エビクロルヒドリンゴム（ＣＯ、ＥＣＯ）、ハイパロン（ＣＳＭ）などが用いられる。
【００５７】
また、バインダー液１３中には、バインダー液１３の粘度を調整するための増粘剤、バインダー液１３中に炭素粒子３を均一に分散させるための分散剤、表面調整剤などの添加剤が必要に応じて添加されていても良い。
【００５８】
溶媒又は分散媒１３ｂはバインダー１３ａを溶解又は分散するものであればその種類に限定されない。好ましくは、溶媒又は分散媒１３ｂとして有機溶媒、有機分散媒、水が用いられ、具体的には、溶媒又は分散媒１３ｂとして、無極性溶媒又は分散媒（例：ヘキサン、ベンゼン、トルエン、ジエチルエーテル、クロロホルム、酢酸エチル、塩化メチレン）、極性非プロトン性溶媒又は分散媒（例：テトラヒドロフラン、アセトン、アセトニトリル、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、キノリン、ピリジン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、極性プロトン性溶媒又は分散媒（例：ギ酸、酢酸、１−ブタノール、２−プロパノール、１−プロパノール、エタノール、メタノール、水）が用いられる。
【００５９】
バインダー液１３を金属箔１０の条材１０Ａ上（詳述すると金属箔１０の条材１０Ａの塗布予定面１０ａ）に塗布する方法及びその塗布装置２０は限定されるものではない。例えば、塗布装置２０として、グラビアコーター（例：ダイレクトグラビアコーター、リバースグラビアコーター）、ナイフコーター（ダイレクト方式ロールナイフコーター、転写方式ロールナイフコーターなどを含む）、ダイコーター、キスコーター、バーコーター、アプリケーターなどが用いられる。本第１実施形態では、同図に示すように、塗布装置２０としてグラビアコーター（詳述するとダイレクトグラビアコーター）２１が用いられている。
【００６０】
グラビアコーター２１は、グラビアロール２２、バックアップロール２３、ドクターブレード２４、パン２５等を備えている。パン２５内にはバインダー液１３が入っている。
【００６１】
グラビアロール２２の周面２２ａの周方向の一部はパン２５内のバインダー液１３に浸かっている。そして、グラビアロール２２の回転に伴いグラビアロール２２の周面２２ａにバインダー液１３がその周方向に連続的に付着する。付着したバインダー液１３は、グラビアロール２２とドクターブレード２４との間の狭いギャップを通過し、その際にドクターブレード２４によって余分なバインダー液が掻き取られる。そして、バインダー液１３が、グラビアロール２２とバックアップロール２３との間を通過している金属箔１０の条材１０Ａ上（詳述すると金属箔１０の条材１０Ａの塗布予定面１０ａ）にその略全体に亘って連続的に層状に塗布される。
【００６２】
バインダー液１３が塗布された金属箔１０の条材１０Ａ上に炭素粒子３を付着させる方法及び炭素粒子付着装置３０は限定されるものではない。本第１実施形態では、同図に示すように、炭素粒子付着装置３０として炭素粒子振り掛け装置３１が用いられている。
【００６３】
炭素粒子振り掛け装置３１は、バインダー液１３が塗布された金属箔１０の条材１０Ａ上へその上側から多数の炭素粒子３を自重で落下させて振り掛け、これにより炭素粒子３を当該金属箔１０の条材１０Ａ上に付着させるものである。
【００６４】
この装置３１は、振り掛け槽３１ａ、当該振り掛け槽３１ａ内にその上側から炭素粒子３を一定の供給量で連続的に供給落下させる炭素粒子フィーダー３１ｂなどを備えている。フィーダー３１ｂとしてはベルトコンベヤー、スクリューフィーダーなどが用いられる。
【００６５】
金属箔１０の条材１０Ａ上へ振り掛けられる炭素粒子３としては、所定の網目サイズを有する篩を通過した炭素粒子、振動篩で篩い分けられた炭素粒子などが特に好適に用いられる。
【００６６】
振り掛け槽３１ａは、主に、炭素粒子３が金属箔１０の条材１０Ａ上へ振り掛けられる際に炭素粒子３が外部に飛散するのを防止するためのものである。
【００６７】
この装置３１によれば、フィーダー３１ｂにより供給された炭素粒子３は自重で振り掛け槽３１ａ内に連続的に落下し、振り掛け槽３１ａ内を水平方向に一定の送り速度で移動している金属箔１０の条材１０Ａ上へ連続的に振り掛けられる。これにより、金属箔１０の条材１０Ａ上には、当該金属箔１０の条材１０Ａ上に付着した炭素粒子３からなる層１４（以下、この層１４を「炭素粒子層１４」という）が形成される。なお、金属箔１０の条材１０Ａ上に付着しなかった炭素粒子３は振り掛け槽３１ａ内の底部に溜まり回収される。
【００６８】
炭素粒子３が鱗片状黒鉛粒子である場合、鱗片状黒鉛粒子は例えば図５に示すように金属箔１０の条材１０Ａ上に付着する。炭素粒子３が炭素繊維である場合、炭素繊維は例えば図６に示すように金属箔１０の条材１０Ａ上に付着する。なお、これらの図ではいずれも金属箔１０の条材１０Ａ上に塗布されたバインダー液１３は図示されていない。
【００６９】
どちらの場合でも、炭素粒子３（鱗片状黒鉛粒子、炭素繊維）は、金属箔１０の条材１０Ａ上に、その表面方向において炭素粒子３が略均一に分布した状態に且つその表面方向における炭素粒子３の配向方向がランダムな状態に且つ炭素粒子３の重なりが少ない状態に付着している。
【００７０】
なお、金属箔１０の条材１０Ａの表面方向は複合材１の平面方向と一致する。
【００７１】
金属箔１０の条材１０Ａ上への単位面積当たりの炭素粒子付着量は限定されるものではなく、例えば１〜４０ｇ／ｍ２である。
【００７２】
乾燥装置４０は、上述したようにバインダー液１３の溶媒又は分散媒１３ｂが蒸発除去するように金属箔１０の条材１０Ａを乾燥するものである。本第１実施形態では、乾燥装置４０として乾燥炉４１が用いられている。乾燥炉４１として、具体的には、熱風式、赤外線照射式、紫外線照射式、ベーキング式、減圧式、ホットプレート式のものなどが用いられる。
【００７３】
乾燥炉４１は、乾燥により蒸発した溶媒又は分散媒１３ｂを冷却トラップ器などによって液体化して回収しうるように構成されていることが望ましい。
【００７４】
本第１実施形態では、図３に示すように、金属箔１０の条材１０Ａ上へのバインダー液１３の塗布と金属箔１０の条材１０Ａ上への炭素粒子３の付着と金属箔１０の条材１０Ａの乾燥は、金属箔１０の条材１０Ａを巻き出す巻出しロール２９ａと金属箔１０の条材１０Ａを巻き取る巻取りロール２９ｂとを用いたロールｔｏロール方式により連続して行われる。
【００７５】
すなわち、巻出しロール２９ａと巻取りロール２９ｂとの間には、塗布装置２０としてのグラビアコーター２１と炭素粒子付着装置３０としての炭素粒子振り掛け装置３１と乾燥装置４０としての乾燥炉４１とがこの記載の順に金属箔１０の条材１０Ａの送り方向Ｆに並んで設置されている。
【００７６】
巻出しロール２９ａから巻き出された金属箔１０の条材１０Ａは、一定の送り速度でグラビアコーター２１と炭素粒子振り掛け装置３１と乾燥炉４１とを順次通過して巻取りロール２９ｂに巻き取られる。
【００７７】
巻出しロール２９ａから巻き出された金属箔１０の条材１０Ａがグラビアコーター２１を通過する際、バインダー液１３はグラビアコーター２１によって上述したように金属箔１０の条材１０Ａ上（詳述すると金属箔１０の条材１０Ａの塗布予定面１０ａ）に連続的に層状に塗布される。
【００７８】
そして、金属箔１０の条材１０Ａは、バインダー液１３が塗布された表面１０ａが上向きにされて炭素粒子振り掛け装置３１（詳述すると炭素粒子振り掛け層３１ａ内）へ水平に送られる。
【００７９】
そして、バインダー液１３が塗布された金属箔１０の条材１０Ａが炭素粒子振り掛け装置３１（詳述すると炭素粒子振り掛け槽３１ａ内）を通過する際、多数の炭素粒子３が上述したように金属箔１０の条材１０Ａ上へその上側から振り掛け槽３１ａ内で振り掛けられる。これにより、炭素粒子３は、金属箔１０の条材１０Ａ上に、その表面方向において炭素粒子３が略均一に分布した状態に且つその表面方向における炭素粒子３の配向方向がランダムな状態に且つ炭素粒子３同士の重なりが少ない状態に付着する。
【００８０】
そして、炭素粒子３が付着した金属箔１０の条材１０Ａが乾燥炉４１を通過する際、金属箔１０の条材１０Ａが乾燥されて金属箔１０の条材１０Ａ上のバインダー液１３の溶媒又は分散媒１３ｂがバインダー液１３から蒸発除去される。これにより、金属箔１０の条材１０Ａ上に炭素粒子３がバインダー１３ａにより結着され、プリフォーム箔１２の条材１２Ａを得る工程Ｓ１の後に行われる工程（例えば、積層体１６を形成する工程Ｓ２、積層体１６を焼結する工程Ｓ３）の際に金属箔１０上からの炭素粒子３の脱落が抑制される。
【００８１】
その結果、金属箔１０の条材１０Ａ上に炭素粒子３（炭素粒子層１４）を有するプリフォーム箔１２の条材１２Ａが得られる。そして、プリフォーム箔１２の条材１２Ａが巻取りロール２９ｂに巻き取られる。
【００８２】
積層体１６を形成する工程Ｓ２では、図７及び８に示すように、プリフォーム箔１２が複数積層された状態の積層体１６（プリフォーム箔積層体）が形成される。この工程Ｓ２は例えば次のように行われる。
【００８３】
図７に示すように、巻取りロール２９ｂから巻き出されたプリフォーム箔１２の条材１２Ａを所定の切断装置５０（例：スリッター、裁断機）により所定形状に切断する。これにより、プリフォーム箔１２の条材１２Ａから所定形状のプリフォーム箔１２を複数切り出す。すなわち、本第１実施形態では、プリフォーム箔１２はプリフォーム箔１２の条材１２Ａを切断した切断片からなるものである。プリフォーム箔１２の平面視形状は限定されるものではなく複合材１の平面視形状などに応じて決定され、例えば略方形状である。
【００８４】
本第１実施形態では、切断装置５０は相対的に開閉する一対の切断刃５０ａ、５０ａを備えたものである。ただし本発明では、切断装置５０はこのような切断刃５０ａ、５０ａを備えたものであることに限定されるものではない。
【００８５】
次いで、図８に示すように、複数のプリフォーム箔１２を積層するとともに、更に、積層された複数のプリフォーム箔１２の厚さ方向の両最外側にそれぞれ金属箔１１（当該金属箔１１上に炭素粒子は存在していない）を積層する。これにより、プリフォーム箔１２が複数積層された状態の積層体１６が形成される。
【００８６】
なお、積層体１６において、金属箔１１は、複合材１の保護層６（図１参照）を形成するものである。金属箔１１の金属材料は、通常、プリフォーム箔１２の金属箔１０の金属材料と同じである。ただし本発明では、積層体１６は必ずしも金属箔１１を備えていなくても良い。
【００８７】
積層体１６を形成するためのプリフォーム箔１２の積層枚数は限定されるものではなく複合材１の厚さなどに応じて設定され、例えば１０〜１００００枚である。なお同図では、プリフォーム箔１２の積層枚数を少なくすることで積層体１６の構成を理解し易くするため及び図面の大きさの制限のため、プリフォーム箔１２の積層枚数を３枚にしている。
【００８８】
積層体１６を焼結する工程Ｓ３では、積層体１６は所定の焼結雰囲気（例：非酸化性雰囲気、真空）中にてその厚さ方向に加圧されながら加熱されることにより焼結される。これにより、積層体１６を構成する複数の箔（プリフォーム箔１２、保護層形成用金属箔１１）が接合一体化（詳述すると焼結一体化）され、その結果、図１に示した上述の金属−炭素粒子複合材１が得られる。
【００８９】
積層体１６の焼結方法は、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）、ホットプレス法、熱圧延ロール法などが用いられる。本第１実施形態では、焼結方法として放電プラズマ焼結法が用いられる。この場合における積層体１６の焼結方法について以下に説明する。
【００９０】
図９に示すように、焼結装置６０としての放電プラズマ焼結装置６１は、電導性を有する筒状ダイ６１ａ、電導性を有する一対の押圧パンチ６１ｂ、６１ｂなどを備えている。各押圧パンチ６１ｂには電極（図示せず）が電気的に接続されている。
【００９１】
ダイ６１ａ内に積層体１６を配置し、不活性ガス雰囲気（例：窒素ガス、アルゴンガス）等の非酸化性雰囲気又は真空（真空度：例えば１×１０‐６〜３０Ｐａ）中にて積層体１６をその厚さ方向両側から両押圧パンチ６１ｂ、６１ｂで加圧しつつ両押圧パンチ６１ｂ、６１ｂ間にパルス電流を通電することにより、積層体１６を加熱焼結する。両押圧パンチ６１ｂ、６１ｂによる積層体１６の加圧方向Ｐ、Ｐは上述したように積層体１６の厚さ方向であり、この方向は複合材１の厚さ方向と一致している。
【００９２】
積層体１６を焼結するための積層体１６の加熱温度、即ち積層体１６の焼結温度は限定されるものではないが、特に金属箔１０の金属材料の融点より低い温度であることが望ましい。この場合、金属箔１０の金属と炭素粒子３との化学反応による金属炭化物の生成を抑制でき、これにより、金属炭化物の生成に伴う複合材１の特性変化を抑制できる。特に、金属箔１０がアルミニウム箔である場合、金属炭化物として炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３）の生成を抑制でき、そのため、炭化アルミニウムの生成に伴う複合材１の内部欠陥の発生を抑制できる。
【００９３】
放電プラズマ焼結法による好ましい焼結条件は以下のとおりである。
【００９４】
金属箔１０が例えば高純度アルミニウム箔（その純度：４Ｎ）である場合、焼結温度は４５０〜６６０℃、焼結時間（即ち焼結温度の保持時間）は１０〜３００ｍｉｎ、積層体１６への加圧力は１０〜４０ＭＰａの範囲に設定されることが好ましい。金属箔１０が例えば銅箔である場合、焼結温度は８００〜１０００℃、焼結時間は１０〜３００ｍｉｎ、積層体１６への加圧力は１０〜４０ＭＰａの範囲に設定されることが好ましい。
【００９５】
積層体１６中に存在するバインダー（１３ａ、図８参照）は、この工程Ｓ３において積層体１６の温度が略室温から積層体１６の焼結温度まで上昇するように積層体１６を加熱する途中で昇華、熱分解などにより消失して積層体１６から除去される。
【００９６】
さらに、積層体１６中にバインダー液１３の溶媒又は分散媒１３ｂが残存している場合、残存している溶媒又は分散媒１３ｂは、この工程Ｓ３において積層体１６の温度が略室温から積層体１６の焼結温度まで上昇するように積層体１６を加熱する途中で蒸発して積層体１６から除去される。
【００９７】
この工程Ｓ３では、積層体１６が上述のように焼結されることによって、各金属箔１０、１１が複合材１の金属層４になり、また各金属箔１０、１１の金属材料の一部が炭素粒子層（１４、図８参照）の各炭素粒子３間に浸透し、これにより各炭素粒子層１４中の炭素粒子３が複合材１の金属マトリックス２中に複合材１の平面方向に分散した状態になり、即ち各炭素粒子層１４が複合材１の炭素粒子分散層５になる。
【００９８】
なお、積層体１６の両最外側の保護層形成用金属箔１１のうちプリフォーム箔１２の金属箔１０と重なり合った金属箔１１（図９では下側の金属箔１１）はプリフォーム箔１２の金属箔１０と焼結されて、一つの金属層４が複合材１の保護層６として形成される。
【００９９】
さらに、積層体１６の各プリフォーム箔１２では、炭素粒子３は上述したように金属箔１０上にその表面方向における炭素粒子３の配向方向がランダムな状態で付着していることから、積層体１６が上述のように焼結されることにより、複合材１の平面方向における熱特性（例：線膨張率）が改善される。
【０１００】
なお、上記第１実施形態では、金属箔１０の条材１０Ａ上への炭素粒子３の振り掛けは、炭素粒子振り掛け装置３１により行われているが、本発明では、その他に例えば、金属箔１０の条材１０Ａの上側から炭素粒子３を手で金属箔１０の条材１０Ａ上へ振り掛けることにより行うことを排除するものではない。
【０１０１】
図１０は、本発明の第２実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の製造方法におけるプリフォーム箔１２の条材１２Ａを得る工程Ｓ１を説明する概略図である。同図において、上記第１実施形態の要素と同じ要素には同じ符号が付されている。本第２実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に以下に説明する。
【０１０２】
本第２実施形態では、炭素粒子付着装置３０として炭素粒子吹き付け装置３２が用いられている。
【０１０３】
炭素粒子吹き付け装置３２は、バインダー液１３が塗布された金属箔１０の条材１０Ａ上へ炭素粒子３を吹き付けることにより、炭素粒子３を当該金属箔１０の条材１０Ａ上に付着させるものである。本第２実施形態では、炭素粒子吹き付け装置３２として静電粉体吹き付け装置（静電粉体塗装装置とも呼ばれている）が用いられており、炭素粒子３は静電粉体吹き付け法（静電粉体塗装法とも呼ばれている）によって金属箔１０の条材１０Ａ上へ吹き付けられる。
【０１０４】
炭素粒子吹き付け装置３２（静電粉体吹き付け装置）は、吹き付け槽（吹き付けブース）３２ａ、吹き付け槽３２ａ内にて炭素粒子３を金属箔１０の条材１０Ａ上へ吹き付ける吹き付けガン３２ｂ、吹き付けガン３２ｂに炭素粒子３を一定の供給量で連続的に供給する炭素粒子タンク３２ｃなどを備えている。
【０１０５】
この装置３２によれば、炭素粒子タンク３２ｃから吹き付けガン３２ｂに供給された炭素粒子３は帯電した状態で、吹き付け槽３２ａ内を水平方向に一定の送り速度で移動している金属箔１０の条材１０Ａ上へその上側から静電引力を利用して連続的に吹き付けられる。これにより、炭素粒子３は、金属箔１０の条材１０Ａ上に、その表面方向において炭素粒子３が略均一に分布した状態に且つその表面方向における炭素粒子３の配向方向がランダムな状態に且つ炭素粒子３同士の重なりが少ない状態に付着する。なお、金属箔１０の条材１０Ａ上に付着しなかった炭素粒子３は吹き付け槽３２ａ内の底部に溜まり回収される。
【０１０６】
本第２実施形態におけるその他の構成は、上記第１実施形態と同じである。
【０１０７】
なお、上記の第２実施形態では、金属箔１０の条材１０Ａ上への炭素粒子３の吹き付けは静電引力を利用して行われているが、本発明では、その他に例えば、静電引力ではなく主に風圧だけを利用して行われても良い。
【０１０８】
図１１は、本発明の第３実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の製造方法におけるプリフォーム箔１２の条材１２Ａを得る工程Ｓ１を説明する概略図である。同図において、上記第１実施形態の要素と同じ要素には同じ符号が付されている。本第３実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に以下に説明する。
【０１０９】
本第３実施形態では、炭素粒子付着装置３０として炭素粒子浮遊付着装置３３が用いられている。
【０１１０】
炭素粒子浮遊付着装置３３は、炭素粒子３が浮遊している気体中にバインダー液１３が塗布された金属箔１０の条材１０Ａを配置することにより炭素粒子３を金属箔１０の条材１０Ａ上へ付着させるように構成されたものである。詳述すると、この装置３３は、炭素粒子３が浮遊している気体中にバインダー液１３が塗布された金属箔１０の条材１０Ａを所定の速さで移動させることにより炭素粒子３を金属箔１０の条材１０Ａ上へ連続的に付着させるように構成されたものである。
【０１１１】
この装置３３は、炭素粒子３が浮遊する浮遊槽３３ａ、浮遊槽３３ａ内にて炭素粒子３を浮遊させる気流発生器３３ｂ、浮遊槽３３ａ内に炭素粒子３を一定の供給量で連続的に供給する炭素粒子タンク３３ｄなどを備えている。気流発生器３３ｂは、浮遊槽３３ａ内に炭素粒子３を浮遊させるための気流（例えば上昇気流）を発生させるファン３３ｃなどを備えている。
【０１１２】
この装置３３によれば、炭素粒子タンク３３ｄから浮遊槽３３ａ内に供給された炭素粒子３は、気流発生器３３ｂにより発生した気流によって浮遊槽３３ａ内にて舞い上げられて浮遊槽３３ａ内の気体（例：空気）中を浮遊し、浮遊槽３３ａ内を水平方向に一定の送り速度で移動している金属箔１０の条材１０Ａ上へ連続的に落下して付着する。これにより、炭素粒子３は、金属箔１０の条材１０Ａ上に、その表面方向において炭素粒子３が略均一に分布した状態に且つその表面方向における炭素粒子３の配向方向がランダムな状態に且つ炭素粒子３同士の重なりが少ない状態に付着する。
【０１１３】
金属箔１０の条材１０Ａが浮遊槽３３ａ内を移動する際には、浮遊槽３３ａ内を浮遊している単位体積当たりの炭素粒子浮遊量は均一であり且つ一定に保持されていることが望ましい。
【０１１４】
本第３実施形態におけるその他の構成は、上記第１実施形態と同じである。
【０１１５】
以上で本発明の幾つかの実施形態について説明したが、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で様々に変更可能である。
【０１１６】
本発明では、バインダー液が塗布される金属箔は、上記実施形態に示したように金属箔の条材（即ち、長尺な帯状の金属箔）であることが望ましいが、これに限定されず、その他に例えば条材状ではない金属箔（例えば、予め設定された長さ寸法及び幅寸法を有する略方形状の金属箔）であっても良い。
【０１１７】
また、本発明では、積層体を形成する工程においてプリフォーム箔の条材をロール状に複数回巻くことによって、プリフォーム箔が複数積層された状態の積層体としてのロール状の積層体を形成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明は、例えば、高い熱伝導率が要求される材料として用いられる金属−炭素粒子複合材の製造方法に利用可能である。
【符号の説明】
【０１１９】
１：金属−炭素粒子複合材
２：金属マトリックス
３：炭素粒子
４：金属層
５：炭素粒子分散層
１０：金属箔
１０Ａ：金属箔の条材
１２：プリフォーム箔
１２Ａ：プリフォーム箔の条材
１３：バインダー液
１３ａ：バインダー
１３ｂ：溶媒又は分散媒
１４：炭素粒子層
１６：積層体
２０：塗布装置
３０：炭素粒子付着装置
３１：炭素粒子振り掛け装置
３２：炭素粒子吹き付け装置
３３：炭素粒子浮遊付着装置
６０：焼結装置
【図１】
2019157173.tif 000003
【図２】
2019157173.tif 000004
【図３】
2019157173.tif 000005
【図４】
2019157173.tif 000006
【図５】
2019157173.tif 000007
【図６】
2019157173.tif 000008
【図７】
2019157173.tif 000009
【図８】
2019157173.tif 000010
【図９】
2019157173.tif 000011
【図１０】
2019157173.tif 000012
【図１１】
2019157173.tif 000013