(57)【要約】【課題】炭素繊維複合金属材料の強度を確保しつつ、熱伝導率の向上及び軽量化を達成すること。【解決手段】この炭素繊維複合金属材料１は、母相金属２中に、第１の炭素繊維３Ａと第２の炭素繊維３Ｂとが配置される。第１の炭素繊維３Ａと第２の炭素繊維３Ｂとは、繊維の伸長方向を一方向に揃えて、前記母相金属２中に配置される。また、第１の炭素繊維３Ａの直径は、第２の炭素繊維３Ｂの直径よりも大きく設定される。第１の炭素繊維３Ａ及び第２の炭素繊維３Ｂは、表面に母相金属２を構成する金属がめっきされ、その後、前記金属で表面が被覆された第１の炭素繊維３Ａ及び第２の炭素繊維３Ｂを複数本束ねて焼結することにより、炭素繊維複合金属材料１が得られる。【選択図】        図２−１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の母相中に、繊維の伸長方向における熱伝導率が前記金属よりも高いピッチ系の炭素繊維を、繊維の伸長方向を揃えて複数本配置し、かつ、前記母相中に配置される前記炭素繊維の直径には、少なくとも２種類の大きさが存在することを特徴とする炭素繊維複合金属材料。
【請求項２】
前記炭素繊維は、
前記母相に含まれる前記炭素繊維のうち最も直径が大きく、かつ繊維の伸長方向を揃えて前記母相中に複数本配置される第１の炭素繊維と、
前記第１の炭素繊維と繊維の伸長方向を揃えて前記母相中に複数本配置され、かつ前記第１の炭素繊維よりも直径が小さい第２の炭素繊維と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維複合金属材料。
【請求項３】
前記第２の炭素繊維は、前記第１の炭素繊維の間に配置されることを特徴とする請求項２に記載の炭素繊維複合金属材料。
【請求項４】
前記第１の炭素繊維と、その他の炭素繊維との体積比は、８５：１５以上９５：５以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の炭素繊維複合金属材料。
【請求項５】
前記第１の炭素繊維よりも直径が小さい炭素繊維の直径は、前記第１の炭素繊維の直径の６０％以上７５％以下であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の炭素繊維複合金属材料。
【請求項６】
前記第１の炭素繊維同士の最小隙間は、前記第１の炭素繊維の直径の２０％以上３０％以下であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の炭素繊維複合金属材料。
【請求項７】
前記炭素繊維は連続繊維であって、繊維の伸長方向の長さが揃えられていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の炭素繊維複合金属材料。
【請求項８】
前記金属はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｎ、又はこれらの合金であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の炭素繊維複合金属材料。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項における炭素繊維複合金属材料に対する、前記炭素繊維の体積比率は、５０％以上８０％以下であることを特徴とする炭素繊維複合金属材料。
【請求項１０】
前記母相の金属で被覆した前記炭素繊維を、繊維の伸長方向を揃えて複数本束ねて、加圧焼結することにより複合化することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の炭素繊維複合金属材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の母相に炭素繊維が配置されて構成される、炭素繊維複合金属材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温部分から低温部分へ熱を伝える伝熱素子は、例えば、電気、電子機器の放熱や温度制御、家電製品の放熱や温度制御等に幅広く用いられる。このような用途に用いられる伝熱素子には、高い熱伝導性が要求される。近年においては、炭素繊維やカーボンナノチューブを利用した高熱伝導複合材料が提案されている（例えば特許文献１）。また、特許文献２には、直径が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの炭化珪素繊維を同一平面上に複数本並行に配してなる太繊維層と、表面にＡｌ合金がイオンプレーティングされた直径が０．００５ｍｍ〜０．０１５ｍｍの炭素繊維の連続繊維を同一方向に複数本配してなるシート状の細繊維層を、Ａｌ合金箔を介して交互に多層に積層し、これを熱間プレス成形した金属系複合材料が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０４５５９６号公報
【特許文献２】特許第２６３９０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示された高熱伝導複合材料で熱伝導率を向上させ、また、軽量化を達成するためには、高熱伝導材料の全体積に対する炭素繊維等の体積の割合（体積率）を向上させる必要がある。しかし、特許文献１に開示された技術では、炭素繊維の体積率を向上させようとすると、材料中に空隙や割れ等が発生して、材料自体の強度が低下する。このため、炭素繊維の体積率を向上させ、材料全体での熱伝導率を向上させることは困難であった。また、特許文献２に開示された技術は、軽量かつ高強度、高剛性の金属系複合材料を得ることを目的としているが、熱伝導率の向上には言及されておらず、材料全体での熱伝導率を向上させることについては改善の余地がある。
【０００５】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、強度の確保と、熱伝導率の向上と、軽量化とを同時に達成できる炭素繊維複合金属材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る炭素繊維複合金属材料は、金属の母相中に、繊維の伸長方向における熱伝導率が前記金属よりも高いピッチ系の炭素繊維を、繊維の伸長方向を揃えて複数本配置し、かつ、前記母相中に配置される前記炭素繊維の直径には、少なくとも２種類の大きさが存在することを特徴とする。
【０００７】
この炭素繊維複合金属材料は、繊維の伸長方向における熱伝導率が、母相を構成する金属よりも高いピッチ系の炭素繊維を、繊維の伸長方向を揃えて金属の母相中に複数本配置し、かつ、炭素繊維の直径には少なくとも２種類の大きさが存在するように構成される。これによって、炭素繊維複合金属材料に対する炭素繊維の体積比を高くすることができるので、強度の確保と、熱伝導率の向上と、軽量化とを同時に達成することができる。
【０００８】
また、次の本発明に係る炭素繊維複合金属材料のように、前記炭素繊維複合金属材料において、前記炭素繊維は、前記母相に含まれる前記炭素繊維のうち最も直径が大きく、かつ繊維の伸長方向を揃えて前記母相中に複数本配置される第１の炭素繊維と、前記第１の炭素繊維と繊維の伸長方向を揃えて前記母相中に複数本配置され、かつ前記第１の炭素繊維よりも直径が小さい第２の炭素繊維と、を含むようにしてもよい。
【０００９】
また、次の本発明に係る炭素繊維複合金属材料のように、前記炭素繊維複合金属材料において、前記第２の炭素繊維は、前記第１の炭素繊維の間に配置されるようにすることが好ましい。
【００１０】
また、次の本発明に係る炭素繊維複合金属材料のように、前記炭素繊維複合金属材料において、前記第１の炭素繊維と、その他の炭素繊維との体積比は、８５：１５以上９５：５以下とすることが好ましい。
【００１１】
また、次の本発明に係る炭素繊維複合金属材料のように、前記炭素繊維複合金属材料において、前記第１の炭素繊維よりも直径が小さい炭素繊維の直径は、前記第１の炭素繊維の直径の６０％以上７５％以下とすることが好ましい。
【００１２】
また、次の本発明に係る炭素繊維複合金属材料のように、前記炭素繊維複合金属材料において、前記第１の炭素繊維同士の最小隙間は、前記第１の炭素繊維の直径の２０％以上３０％以下とすることが好ましい。
【００１３】
また、次の本発明に係る炭素繊維複合金属材料のように、前記炭素繊維複合金属材料において、前記炭素繊維は連続繊維であって、繊維の伸長方向の長さが揃えられていることが好ましい。
【００１４】
また、次の本発明に係る炭素繊維複合金属材料のように、前記炭素繊維複合金属材料において、前記金属はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｎ、又はこれらの合金とすることができる。
【００１５】
また、次の本発明に係る炭素繊維複合金属材料のように、前記炭素繊維複合金属材料に対する、前記炭素繊維の体積比率は、５０％以上８０％以下とすることが好ましい。
【００１６】
また、次の本発明に係る炭素繊維複合金属材料のように、前記炭素繊維複合金属材料において、前記母相の金属で被覆した前記炭素繊維を、繊維の伸長方向を揃えて複数本束ねて、加圧焼結することにより複合化することができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明に係る炭素繊維複合金属材料では、強度の確保と、熱伝導率の向上と、軽量化とを同時に達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
【００１９】
本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料は、高熱伝導率の炭素繊維複合金属材料であり、金属の母相中に配置される炭素繊維の直径には少なくとも２種類の大きさが存在し、かつ繊維（炭素繊維）の伸長方向（炭素繊維の長さ方向）における熱伝導率が前記金属よりも高い前記炭素繊維を、繊維の伸長方向を揃えて前記母相中へ複数本配置する点に特徴がある。
【００２０】
図１−１は、本実施形態の炭素繊維複合金属材料で構成した部材を示す斜視図である。図１−２は、本実施形態の炭素繊維複合金属材料で構成した部材を示す側面図である。図２−１〜図２−３は、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の構成を示す模式図である。図２−１〜図２−３は、図１−１のＡ−Ａ断面を拡大したものであり、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料を、繊維の伸長方向に対して直交する平面で切った場合の断面を示している。この炭素繊維複合金属材料１は、いわゆるＣＦＲＭ（Carbon Fiber Reinforced Metal）であり、炭素繊維を金属の母相中へ配置することで、炭素繊維単体や母相となる金属単体よりも優れた性能を発揮させるものである。本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１では、母相となる金属単体よりも高い熱伝導率を発揮する。
【００２１】
図１−１、図１−２に示すように、本実施形態の炭素繊維複合金属材料１で構成した部材（炭素繊維複合金属部材）１Ｂは、炭素繊維ＣＦが金属の母相中に配置されて構成される。炭素繊維は、繊維の伸長方向における熱伝導率が、繊維の伸長方向と直交する方向における熱伝導率よりも極めて大きく、繊維の伸長方向に対しては高熱伝導材料として機能する。このため、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１は、例えば、放熱板や放熱用のヒートシンク、高温部分から低温部分へ熱を運搬する伝熱素子として用いることができる。
【００２２】
図２−１〜図２−２に示すように、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１は、母相金属２中に、それぞれ直径の異なる第１の炭素繊維（以下第１炭素繊維という）３Ａと第２の炭素繊維（以下第２炭素繊維という）３Ｂとが、繊維の伸長方向（図１−１、図１−２中の矢印Ｌで示す方向）を揃えてそれぞれ複数配列される。ここで、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１を構成する、直径の大きさが異なる複数の炭素繊維中では、第１炭素繊維３Ａの直径が最も大きい。
【００２３】
本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１では、母相金属２中に配置される炭素繊維の直径は、少なくとも２種類の大きさが存在する。図２−１、図２−２に示す炭素繊維複合金属材料１は、第１炭素繊維３Ａの直径は、第２炭素繊維３Ｂの直径よりも大きい。すなわち、図２−１に示す炭素繊維複合金属材料１では、母相金属２中の炭素繊維の直径に、２種類の大きさが存在する。
【００２４】
本実施形態において、炭素繊維の直径は、炭素繊維の公称の直径であり、繊維の伸長方向に対して直径が一定（製造ばらつきや材料ばらつきは含む）ものを前提としている。すなわち、繊維の伸長方向に対して、製造ばらつきや材料ばらつきの範囲を超える複数の大きさの直径が存在する炭素繊維を前提とするものではない。したがって、炭素繊維の直径に複数の種類が存在するという場合には、繊維の伸長方向に対して直径が一定である炭素繊維において、直径の異なる炭素繊維が複数存在することを意味する。すなわち、繊維の伸長方向に対して、製造ばらつきの範囲を超える複数の直径が存在することを意味するものではない。炭素繊維の直径は、製造ばらつきや材料ばらつきを考慮して、例えば、中心値（前記公称の直径に相当する）±１μｍとする。
【００２５】
炭素繊維の直径は、繊維の伸長方向に直交する断面の形状が円形である場合には、円の直径を採用する。前記断面の形状が円形と呼べない場合には、式（１）で定義される等価直径Ｄｅを用いる。ここで、式（１）のＡは、繊維の伸長方向に直交する断面の断面積であり、Ｃは、繊維の伸長方向に直交する断面の周長である。
Ｄｅ＝４×Ａ／Ｃ・・・（１）
【００２６】
式１から、直径がａである円の場合には、Ｄｅ＝４×π×ａ2／（４×π×ａ）＝ａとなり、等価直径は円の直径に等しくなる。また、１辺の長さがｂである正方形の場合には、Ｄｅ＝４×ｂ2／（４×ｂ）＝ｂとなり、等価直径は正方形の１辺の長さに等しくなる。本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１において、炭素繊維の等価直径を求めるには、例えば、炭素繊維と直交する断面で炭素繊維複合金属材料１を切った場合の断面を拡大し、その断面の画像から求めることができる。
【００２７】
図２−３に示す炭素繊維複合金属材料１は、それぞれ直径の異なる第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂ、及び第３の炭素繊維（以下第３炭素繊維という）３Ｃが配置される（第１炭素繊維３Ａの直径＞第２炭素繊維３Ｂの直径＞及び第３炭素繊維３Ｃの直径）。すなわち、図２−３に示す炭素繊維複合金属材料１は、母相金属２中に配置される炭素繊維の直径には３種類の大きさが存在する。このように、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１は、すなわち、母相金属２中に配置される炭素繊維の直径には、少なくとも２種類の大きさが存在していればよく、２種類又は３種類に限定されるものではない。ただし、炭素繊維複合金属材料１を製造する際の手間を考慮すると、母相金属２中に配置される炭素繊維の直径の大きさは３種類以下が好ましく、製造の困難性と効果とを考慮すると、２種類が現実的である。
【００２８】
図２−１に示す炭素繊維複合金属材料１は、隣接する４本の第１炭素繊維３Ａに囲まれた領域に、１本の第２炭素繊維３Ｂが配置される。また、図２−２に示す炭素繊維複合金属材料１は、隣接する３本の第１炭素繊維３Ａに囲まれた領域に、１本の第２炭素繊維３Ｂが配置される。
【００２９】
図２−１、図２−２に示す炭素繊維複合金属材料１では、第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂが母相金属２中へ規則的に配置される例を示しているが、本実施形態においては、母相金属２中に配置される炭素繊維の直径には、少なくとも２種類の大きさが存在していればよく、直径の異なる第１炭素繊維３Ａと第２炭素繊維３Ｂとが不規則に配置されていてもよい。ただし、炭素繊維複合金属材料１における炭素繊維の体積率をより大きくするためには、母相金属２中において、相対的に直径の大きい炭素繊維で囲まれる領域に、相対的に直径小さい炭素繊維が配置されるようにすることが好ましい。
【００３０】
次に、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１の製造手順を説明する。次の説明においては、第１炭素繊維３Ａと、これよりも直径の小さい第２炭素繊維３Ｂとが母相金属２に配置される例（例えば図２−１や図２−２参照）を説明する。すなわち、母相金属２中に配置される炭素繊維の直径の大きさが２種類である場合である。なお、次の説明においては、適宜図１−１〜図２−２を参照されたい。
【００３１】
図３は、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の製造手順の一例を示すフローチャートである。図４〜図８は、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の製造手順を説明するための模式図である。本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１を製造するにあたり、母相金属２内に配置される炭素繊維を製造する（ステップＳ１０１）。上述したように、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１が備える炭素繊維の直径には、少なくとも２種類の大きさが存在する。このため、直径の大きさが異なる２種類の炭素繊維（第１炭素繊維３Ａ及び第２炭素繊維３Ｂ）を用意する。
【００３２】
本実施形態において、第１炭素繊維３Ａは、直径Ｄ１が５μｍ以上３０μｍ以下のものが使用でき、直径Ｄ１が６μｍ以上２０μｍ以下のものが好ましく、直径Ｄ１が７μｍ以上１０μｍ以下のものがより好ましい。また、第２炭素繊維３Ｂは、直径Ｄ２が３μｍ以上２０μｍ以下のものが使用でき、直径Ｄ２が４μｍ以上１５μｍ以下のものが好ましく、直径Ｄ２が５μｍ以上８μｍ以下のものがより好ましい。このような範囲であれば、強度を確保しつつ炭素繊維の体積率を向上させて、炭素繊維複合金属材料１の熱伝導率の向上及び軽量化を達成できる。
【００３３】
また、第２炭素繊維３Ｂの直径Ｄ２と第１炭素繊維３Ａの直径Ｄ１との直径比Ｄ２／Ｄ１は、直径Ｄ１が０．５以上０．９μｍ以下のものが使用でき、０．５５以上０．８以下のものが好ましく、０．６以上０．７５以下のものがより好ましい。このような範囲であれば、強度を確保しつつ炭素繊維の体積率を向上させて、炭素繊維複合金属材料１の熱伝導率の向上及び軽量化を達成できる。
【００３４】
例えば、図４に示すように、用意した直径の大きさが異なる第１炭素繊維３Ａと第２炭素繊維３Ｂとを混ぜて、複数の種類（この実施形態では２種類）の直径が存在する炭素繊維群（３Ａ＋３Ｂ）を得る。あるいは、コールタール状のピッチを熱処理、濾過、水素化等することにより得られた、紡糸に適した液晶状のメソフェーズピッチから炭素化前繊維を紡糸する際に、複数（この実施形態では２種類）の直径の炭素化前繊維を得ておく。
【００３５】
本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１に用いる第１炭素繊維３Ａ及び第２炭素繊維３Ｂは、いずれも母相金属２よりも熱伝導率が高いものを用いる。これによって、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１は、母相金属２単体では達成できない、高い熱伝導率を有する。このような炭素繊維としては、例えば、ピッチ系の炭素繊維がある。ピッチ系の炭素繊維は、石油、石炭、コールタール等の複生成物を原料とした炭素繊維である。ピッチ系の炭素繊維は、熱伝導率の高いものが得られるという特徴があり、例えば、熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものが得られる。この熱伝導率は、最も熱伝導率の高い銅（Ｃｕ、４００Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高い熱伝導率である。なお、金属の種類によって母相金属２の熱伝導率は変化するので、母相金属２の熱伝導率に応じて、好適な熱伝導率に調整したピッチ系の炭素繊維を用いることが望ましい。
【００３６】
本実施形態において、第１炭素繊維３Ａ及び第２炭素繊維３Ｂは、熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２０００Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲のものが使用でき、熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上１３００Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲のものが好ましく、熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲のものがより好ましく使用できる。このような範囲であれば、炭素繊維複合金属材料１の熱伝導率を効果的に向上させることができる。
【００３７】
複数の種類の直径が存在する炭素繊維群（３Ａ＋３Ｂ）が得られたら、この炭素繊維群を構成する第１炭素繊維３Ａ及び第２炭素繊維３Ｂの表面に、母相金属２（図１−１等参照）を被覆する（ステップＳ１０２）。母相金属２としては、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｎ、又はこれらの合金を用いることができる。これらの材料で、熱伝導率の高いものを母相金属２として用いれば、炭素繊維複合金属材料１全体の熱伝導率を高くすることができる。
【００３８】
本実施形態においては、めっき法を用いて第１炭素繊維３Ａ及び第２炭素繊維３Ｂの表面を母相金属２で被覆して、母相金属２の被覆層を形成する。めっき法を用いれば、束になっている炭素繊維の隅々までめっき液が付着するため、母相金属２の被覆層の厚さを均一に、かつ確実に形成するためには好ましい。また、めっき法によれば、簡単に、かつ安価に母相金属の被覆層を形成することができる。なお、母相金属２の被覆層を形成する手法はめっき法に限られるものではなく、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、その他の薄膜形成方法を用いることができる。母相金属２の被覆層を形成する手法は、母相金属２の種類に応じて使い分けることができ、例えば、めっき法の適用が困難な材料に対しては、他の手法（例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法）を適用することができる。
【００３９】
図５は、母相金属２の被覆層が形成された第１炭素繊維３Ａ及び第２炭素繊維３Ｂの断面を示す模式図である。図５に示すように、第１炭素繊維３Ａ及び第２炭素繊維３Ｂの表面には、めっきによりそれぞれ母相金属２の被覆層（第１母相金属層２ＭＡ、第２母相金属層２ＭＢ）が形成される。以下においては、説明の便宜上、母相金属２の被覆層が形成された第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂを、それぞれ第１被覆炭素繊維４Ａ、第２被覆炭素繊維４Ｂという。
【００４０】
図６は、第１被覆炭素繊維４Ａ、第２被覆炭素繊維４Ｂを所定の長さに切断した状態を示している。母相金属２の被覆層が形成された第１被覆炭素繊維４Ａ及び第２被覆炭素繊維４Ｂは、所定の長さに切断される（ステップＳ１０３）。ここで、第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂは、その伸長方向における熱伝導率が、繊維の伸長方向と直交する方向における熱伝導率よりも極めて大きいという特徴がある。
【００４１】
すなわち、第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂは、熱の移動方向に方向性があり、これを利用して、繊維の伸長方向に向かって一方向に熱を運搬することができる。本実施形態において、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１を用いた炭素繊維複合金属部材１Ｂは、第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂが繊維の伸長方向を揃えて一方向に束ねられて母相金属内に配置されているので、第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂの伸長方向に熱を運搬することができる。一方、第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂの伸長方向以外の方向には、ほとんど熱は移動せず、前記伸長方向以外の方向に対する熱の逃げが低減される。これによって、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１を用いた炭素繊維複合金属部材１Ｂは、第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂの伸長方向に対して、効率よく熱を運搬することができる。
【００４２】
本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１を用いた炭素繊維複合金属部材１Ｂは、炭素繊維（第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂ）の伸長方向が一方向に揃えられて、複数本の炭素繊維が母相金属中に配置される。この状態で、後述する複合化の処理を施すと、炭素繊維複合金属部材１Ｂの伝熱方向における寸法が、第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂの伸長方向における寸法にほぼ等しくなる。したがって、ステップＳ１０３において第１被覆炭素繊維４Ａ及び第２被覆炭素繊維４Ｂが切断される所定の長さは、炭素繊維複合金属部材１Ｂの伝熱方向における長さｌとなる。
【００４３】
本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１を構成する炭素繊維（第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂ）は、連続繊維である。連続繊維とは、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１を伝熱手段として用いる場合において、少なくとも熱を輸送する距離については、炭素繊維が連続であることを意味する。これは、炭素繊維が曲がって配列され、炭素繊維複合金属材料１が曲がった形状となる場合も同様である。これによって、炭素繊維複合金属材料１は高い伝熱性能を発揮できるようになる。例えば、図６に示す炭素繊維複合金属部材１Ｂにおいて、これを構成する第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂの伸長方向で熱を輸送する場合、少なくとも炭素繊維複合金属部材１Ｂの伝熱方向における長さｌについては、第１炭素繊維３Ａ及び第２炭素繊維３Ｂを連続とする。
【００４４】
本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１を構成する炭素繊維（第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂ）は、連続繊維であるとともに、少なくとも熱を輸送する距離については長さを揃えてあることが好ましい。熱を輸送する距離において、炭素繊維の長さが足りないと、その部分で伝熱性能は著しく低下して、炭素繊維複合金属材料１の伝熱性能が低下するからである。
【００４５】
切断後の１被覆炭素繊維４Ａ及び第２被覆炭素繊維４Ｂは、所定量が引き揃えられて、焼結用の型（黒鉛型）１２内にセットされる（ステップＳ１０４）。図７は、所定の長さに切断した所定量の第１被覆炭素繊維４Ａ及び第２被覆炭素繊維４Ｂが、型１２のキャビティ１２Ｃ内へセットされる状態を示している。この場合、第１被覆炭素繊維４Ａ及び第２被覆炭素繊維４Ｂは、長さ方向（繊維の伸長方向）が同方向になるように揃えられ、一方向に配列されて、型１２のキャビティ１２Ｃ内へセットされる。
【００４６】
図８は、複合化前における第１被覆炭素繊維４Ａ及び第２被覆炭素繊維４Ｂの状態を示している。型１２のキャビティ１２Ｃ内においては、第１炭素繊維３Ａの表面を被覆する第１母相金属層２ＭＡが、隣接する第１炭素繊維３Ａの表面を被覆する第１母相金属層２ＭＡと接する。また、第２炭素繊維３Ｂは、４本の第１炭素繊維３Ａで囲まれるように配置されるので、第２炭素繊維３Ｂの表面を被覆する第２母相金属層２ＭＢは、第１炭素繊維３Ａの表面を被覆する第１母相金属層２ＭＡと接する。この状態で、次の複合化工程へ移行する。ここで、複合化後における第１炭素繊維３Ａ同士の間隔は、第１炭素繊維３Ａの表面を被覆する第１母相金属層２ＭＡの厚さｔに依存する。したがって、第１母相金属層２ＭＡの厚さｔを制御することにより、複合化後における第１炭素繊維３Ａ同士の間隔を制御することができる。
【００４７】
型１２内に所定量の第１被覆炭素繊維４Ａ及び第２被覆炭素繊維４Ｂをセットしたら、セットした所定量の第１被覆炭素繊維４Ａ及び第２被覆炭素繊維４Ｂを複合化する（ステップＳ１０５）。本実施形態では、複合化の手法として焼結を用いる。これによって、第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂ及び母相金属２が一体化して、複合化される。本実施形態において、焼結の手法としては、ＳＰＳ（Spark Plasma Sintering：放電プラズマ焼結）を用いる。ＳＰＳは、焼結対象（第１被覆炭素繊維４Ａ及び第２被覆炭素繊維４Ｂ）にＯＮ−ＯＦＦ直流パルス電圧・電流を印加し、焼結対象同士の間隙で起こる放電現象により焼結体を作製する方法である。これによれば、金属からセラミックス、さらには難焼結材料まで短時間で緻密（高密度）な焼結体が作製できるという利点がある。なお、本実施形態に適用できる複合化の手法は焼結に限定されるものではなく、例えば、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing：熱間静水圧焼結）や熱プラズマ焼結、通電加熱焼結、その他の手法を用いることができる。
【００４８】
複合化（本実施形態ではＳＰＳ）が終了すると、例えば、図１−１に示す炭素繊維複合金属部材１Ｂが完成する。完成した炭素繊維複合金属部材１Ｂをそのまま用いてもよいし、使用する箇所や目的などによって、必要に応じて炭素繊維複合金属部材１Ｂを切削や切断等の加工をしてもよい（ステップＳ１０６）。上記手順により、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料１（あるいはこれを用いた炭素繊維複合金属部材１Ｂ）を製造することができる。次に、本発明の実施例を説明する。
【００４９】
（実施例）
上記手法により、直径のみが異なる２種類の炭素繊維を母相金属中に配列した、本発明の実施例に係る炭素繊維複合金属材料を製造した。また、比較例として、直径が１種類の炭素繊維を母相金属中に配列した炭素繊維複合金属材料を製造した。図９−１は、本発明に係る炭素繊維複合金属材料の断面における炭素繊維の配列を示す模式図である。図９−２は、比較例に係る炭素繊維複合金属材料の断面における炭素繊維の配列を示す模式図である。
【００５０】
本発明に係る炭素繊維複合金属材料１は、第１炭素繊維３Ａを直径が１０μｍ、第２炭素繊維３Ｂを直径が７μｍとし、第１炭素繊維３Ａ、第２炭素繊維３Ｂいずれもピッチ系の炭素繊維を用いた。第１炭素繊維３Ａには、日本グラファイトファイバー製のピッチ系炭素繊維（商品名「ＸＮ９０」）を用いた。このピッチ系炭素繊維は、引張弾性率が８６０ＧＰａ、引張強度が３４３０ＭＰａ、熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ、密度が２．１９ｇ／ｃｍ3である。また、第２炭素繊維３Ｂには、日本グラファイトファイバー製のピッチ系炭素繊維（商品名「ＹＳ９５」）を用いた。このピッチ系炭素繊維は、引張弾性率が９２０ＧＰａ、引張強度が３５３０ＭＰａ、熱伝導率が６００Ｗ／ｍ・Ｋ、密度が２．１９ｇ／ｃｍ3である。
【００５１】
母相金属２は、銅（Ｃｕ）を用いた。第１炭素繊維３Ａと第２炭素繊維３Ｂとを混ぜた炭素繊維群（３Ａ＋３Ｂ）を製造し、これに銅めっきを施した後、所定の長さ（２５ｍｍ程度）に切断した。そして、切断した炭素繊維群（３Ａ＋３Ｂ）を黒鉛型内に引き揃えてセットし、真空中でＳＰＳを行い本発明に係る炭素繊維複合金属材料１を得た（図９−１参照）。
【００５２】
比較例に係る炭素繊維複合金属材料１０１は、炭素繊維１０３に直径が１０μｍのピッチ系の炭素繊維を用いた。炭素繊維１０３には、日本グラファイトファイバー製のピッチ系炭素繊維（商品名「ＹＳ９５Ａ」）を用いた。このピッチ系炭素繊維は、引張弾性率が９００ＧＰａ、引張強度が３５３０ＭＰａ、熱伝導率が６００Ｗ／ｍ・Ｋ、密度が２．１９ｇ／ｃｍ3である。また、母相金属１０２は、銅（Ｃｕ）を用いた。炭素繊維１０３に銅めっきを施した後、所定の長さ（２５ｍｍ程度）に切断した。そして、切断した炭素繊維１０３を黒鉛型内に引き揃えてセットし、真空でＳＰＳを行い比較例に係る炭素繊維複合金属材料１０１を得た（図９−２参照）。表１に、本発明の実施例と、比較例とを示す。
【００５３】
本発明に係る炭素繊維複合金属材料１及び比較例に係る炭素繊維複合金属材料１０１の密度は、電子分析天秤を用いてアルキメデス法により室温（２５℃）で測定した。本発明に係る炭素繊維複合金属材料１及び比較例に係る炭素繊維複合金属材料１０１の比熱は、セイコーインスツルメンツ社製の示差走査熱量計（商品名「ＥＸＳＴＡＲ６０００」）を用い、ＤＳＣ（Differential Scanning Calorimetry：示差走査熱量測定）法により、昇温速度５℃／ｍｉｎ．、乾燥窒素気流中室温から測定した。比較校正にはサファイア（Ａｌ2Ｏ3を主成分とした鉱物）を用いた。
【００５４】
本発明に係る炭素繊維複合金属材料１及び比較例に係る炭素繊維複合金属材料１０１の熱伝導率は、熱拡散率から算出した。本発明に係る炭素繊維複合金属材料１及び比較例に係る炭素繊維複合金属材料１０１の熱拡散率は、アルバック理工製のレーザーフラッシュ装置（商品名「ＴＣ−７０００」）を用いて測定した。そして、測定した熱拡散率に密度と比熱とを乗ずることで、本発明に係る炭素繊維複合金属材料１及び比較例に係る炭素繊維複合金属材料１０１の熱伝導率を算出した。
【００５５】
【表１】
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【００５６】
第１炭素繊維３Ａと第２炭素繊維３Ｂとの体積比は、全炭素繊維に対する第１炭素繊維３Ａの体積と、第２炭素繊維３Ｂの体積との比である。また、炭素繊維の体積比は、実施例あるいは比較例に係る炭素繊維複合金属材料の全体積に対する全炭素繊維の体積の比率である。空隙、割れの有無は、炭素繊維に垂直な断面内を拡大して観察し、空隙や割れの存在が確認できた場合には、空隙、割れがありと判定した。銅めっきの厚さは、炭素繊維の表面に形成した母相金属の被覆層の厚さである。ここで、隣接する第１炭素繊維３Ａ同士の最小隙間Ｓ（図９−１参照）、あるいは隣接する炭素繊維１０３同士の最小隙間Ｓ（図９−２参照）は、銅めっきの厚さの２倍程度となるが、炭素繊維複合金属材料の製造条件によって最小間隔Ｓの大きさは変化する。
【００５７】
表１の結果からわかるように、本発明の実施例１〜３では、いずれも空隙、割れは観測されず、実用上十分な強度が得られると判断される。また、本発明の実施例１〜３では、炭素繊維の体積比が６０％以上を確保できている。本発明の実施例１〜３の熱伝導率は、いずれも母相金属として用いた銅の熱伝導率（Ｃｕ、４００Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高く、炭素繊維複合金属材料全体として要求される熱伝導率を確保できるといえる。また、本発明の実施例１〜３の密度は、母相金属である銅の密度（８．９２ｇ／ｃｍ3）よりも低い。このように、本発明の実施例１〜３は、母相金属よりも熱伝導率を高くできるとともに、母相金属よりも軽量化を達成できる。ここで、熱伝導率の確保という観点から、炭素繊維の体積比は、５０％以上とすることが好ましく、強度確保という観点からは８０％以下が好ましい。
【００５８】
また、本発明の実施例１〜３の熱伝導率は、いずれも比較例１〜４の熱伝導率よりも高くなっており、本発明の実施例１〜３は、比較例１〜４に対して高い熱伝導率が得られることがわかる。ここで、本発明の実施例１は、比較例１よりも密度が大きく、また、本発明の実施例３は、比較例２よりも密度が大きい。しかし、後述するように、比較例１、２は、空隙、割れが観測され、これらは実用上の強度が不足すると判断される。したがって、比較例１、２では、強度の確保と、熱伝導率の向上と、軽量化とを同時に達成することはできないと考えられる。一方、実施例１〜３では、いずれも空隙、割れは観測されず、実用上十分な強度が得られ、かつ熱伝導率の向上及び軽量化を同時に達成できると判断される。
【００５９】
本発明の実施例１〜３の比熱伝導率、すなわち、熱伝導率を密度で除した値は、いずれも比較例１〜４の比熱伝導率よりも高くなっており、本発明の実施例１〜３は、比較例１〜４に対して、高い比熱伝導率であることがわかる。すなわち、同じ密度であれば、本発明の実施例１〜３は、熱伝導率を向上させつつ軽量化することに対して、比較例１〜４よりも有利であると判断できる。
【００６０】
実施例１〜３では、母相金属２中に第１炭素繊維３Ａと、これよりも直径の小さい第２炭素繊維３Ｂとを配置する。これによって、図９−１に示すように、第１炭素繊維３Ａで囲まれる領域に、第２炭素繊維３Ｂが入り込むので、炭素繊維の体積比を高くすることができる。これによって、炭素繊維の体積比を高くしつつ、第１及び第２炭素繊維３Ａ、３Ｂと母相金属２との接合面積を確保できるので、炭素繊維複合金属材料１の強度を確保できると考えられる。
【００６１】
一方、単一直径の炭素繊維１０３を用いた場合（比較例）では、比較例１、２で空隙、割れが観測され、これらは実用上の強度が不足すると判断される。また、比較例１、２における炭素繊維１０３の体積率では、母相金属１０２との接合面積が低下して、強度低下はより大きくなると判断される。比較例３、４は、空隙、割れは観測されないが、炭素繊維の体積比が５０％を下回っており、炭素繊維複合金属材料全体としての熱伝導率を確保することは難しいと判断される。このように、比較例では、炭素繊維の体積率を高くして炭素繊維複合金属材料１０１の熱伝導率を高くしようとすると、炭素繊維複合金属材料１０１の強度が低下してしまう。すなわち、比較例では、高い熱伝導率と、強度確保と、軽量化とを同時に達成することは極めて困難であると考えられる。
【００６２】
表１の結果から、本発明においては、第１炭素繊維３Ａとその他の炭素繊維、すなわち第２炭素繊維３Ｂとの体積比は、８５：１５以上９５：５以下であることが好ましい。また、第１炭素繊維３Ａよりも直径が小さい第２炭素繊維３Ｂの直径は、前記第１炭素繊維の直径の６０％以上７５％以下が好適である。また、第１炭素繊維３Ａ同士の最小隙間Ｓは、第１炭素繊維３Ａの直径の２０％以上３０％以下が好ましい。前記パラメータをこの範囲とすれば、本発明に係る炭素繊維複合金属材料は、熱伝導率と強度と軽量化とを同時に達成できると判断される。
【００６３】
以上、本実施形態の炭素繊維複合金属材料は、繊維の伸長方向における熱伝導率が、母相を構成する金属よりも高い炭素繊維を、繊維の伸長方向を揃えて金属の母相中に複数本配置し、かつ、炭素繊維の直径には少なくとも２種類の大きさが存在するように構成される。これによって、金属の母相中に含まれる炭素繊維の体積比（炭素繊維複合金属材料に対する体積比）を高くすることができるので、炭素繊維複合金属材料の強度の確保と、熱伝導率の向上と、軽量化とを同時に達成することができる。
【００６４】
また、相対的に直径の大きい炭素繊維で囲まれる空間に、相対的に直径の小さい炭素繊維が配置されるので、金属で被覆した炭素繊維を焼結によって複合化する場合には、金属の被覆層を小さくしても炭素繊維と金属の母相との接合面積を確保できる。このように、本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料は、金属で被覆した炭素繊維を焼結によって複合化する場合には、特に有利である。
【００６５】
本実施形態の炭素繊維複合金属材料は、例えば、高温部分から低温部分へ熱を運搬する伝熱素子として利用できる。このような伝熱素子の用途としては、例えば、電気、電子機器の放熱や温度制御、人工衛星に搭載される機器類の放熱や温度制御、あるいは内燃機関や外燃機関のような熱機関の放熱等が挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
以上のように、本発明に係る炭素繊維複合金属材料は、炭素繊維と金属との複合材料で高い熱伝導率を得ることに有用であり、特に、強度を確保しつつ熱伝導率を向上させるとともに、軽量化を達成することに適している。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１−１】本実施形態の炭素繊維複合金属材料で構成した部材を示す斜視図である。
【図１−２】本実施形態の炭素繊維複合金属材料で構成した部材を示す側面図である。
【図２−１】本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の構成を示す模式図である。
【図２−２】本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の構成を示す模式図である。
【図２−３】本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の構成を示す模式図である。
【図３】本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の製造手順の一例を示すフローチャートである。
【図４】本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の製造手順を説明するための模式図である。
【図５】本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の製造手順を説明するための模式図である。
【図６】本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の製造手順を説明するための模式図である。
【図７】本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の製造手順を説明するための模式図である。
【図８】本実施形態に係る炭素繊維複合金属材料の製造手順を説明するための模式図である。
【図９−１】本発明に係る炭素繊維複合金属材料の断面における炭素繊維の配列を示す模式図である。
【図９−２】比較例に係る炭素繊維複合金属材料の断面における炭素繊維の配列を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  炭素繊維複合金属材料
１Ｂ  炭素繊維複合金属部材
２  母相金属
２ＭＡ  第１母相金属層
２ＭＢ  第２母相金属層
３Ａ  第１炭素繊維
３Ｂ  第２炭素繊維
３Ｃ  第３炭素繊維
４Ａ  第１被覆炭素繊維
４Ｂ  第２被覆炭素繊維
１０  紡糸用ノズル
１１Ａ  第１ノズル孔
１１Ｂ  第２ノズル孔
１２  型
１２Ｃ  キャビティ
１０１  炭素繊維複合金属材料
１０２  母相金属
１０３  炭素繊維
【図１−１】
2008184655.tif 000004
【図１−２】
2008184655.tif 000005
【図２−１】
2008184655.tif 000006
【図２−２】
2008184655.tif 000007
【図２−３】
2008184655.tif 000008
【図３】
2008184655.tif 000009
【図４】
2008184655.tif 000010
【図５】
2008184655.tif 000011
【図６】
2008184655.tif 000012
【図７】
2008184655.tif 000013
【図８】
2008184655.tif 000014
【図９−１】
2008184655.tif 000015
【図９−２】
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