(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属と、１μｍ〜５０μｍの直径を有し、１ｍｍ以上の長さを有するミクロンサイズの炭素繊維、および、アスペクト比（長さ／直径）が少なくとも１０以上であり、１μｍ以下の繊維長を有するナノサイズの炭素繊維を含む炭素繊維からなる金属基炭素繊維複合材料であって、
前記複合材料は、第一の表面を有し、前記ミクロンサイズの炭素繊維は、前記複合材料の前記第一の表面に対して平行な一方向に向けて配向されて充填されており、前記第一の面の一端から対向する他端まで、前記ミクロンサイズの炭素繊維の全量に対して少なくとも５０％が連続しており、ナノサイズの炭素繊維はその全量に対する８０％が前記第一の表面に対して３０°以内に配向されており、且つ、前記第一の表面と平行な面内ではランダムに配向しており、
前記金属基炭素繊維複合材料の第一の表面から一定距離の内部領域が、他の領域よりも少ない量のミクロンサイズの炭素繊維を含むかもしくは全くミクロンサイズの炭素繊維を含まず、且つ、ナノサイズの炭素繊維が前記複合材料の第一の表面に平行な配向を有することを特徴とする金属基炭素繊維複合材料。
【請求項２】
前記他の領域が複数層からなり、各層の金属、ミクロンサイズの炭素繊維またはナノサイズの炭素繊維の組成が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の金属基炭素繊維複合材料。
【請求項３】
前記第一の表面の一定距離が表面から１０μｍ〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属基炭素繊維複合材料。
【請求項４】
前記ミクロンサイズの炭素繊維は前記複合材料中に２０〜８０体積％含まれ、前記ナノサイズの炭素繊維は前記複合材料中に１〜５０体積％含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の金属基炭素繊維複合材料。
【請求項５】
前記ミクロンサイズの炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維または気相成長炭素繊維から選択され、前記ナノサイズの炭素繊維は、気相成長炭素繊維、多層カーボンナノチューブまたは単層カーボンナノチューブから選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の金属基炭素繊維複合材料。
【請求項６】
前記金属は、銅、アルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金からなる群から選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の金属基炭素繊維複合材料。
【請求項７】
（ａ）金属粉末と、アスペクト比（長さ／直径）が少なくとも１０以上であり、１μｍ以下繊維長を有するナノサイズの炭素繊維とを混合して、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を調製する工程と、
（ｂ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を、１μｍ〜５０μｍの直径を有し、１ｍｍ以上の長さを有するミクロンサイズの炭素繊維に付着させて、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を調製する工程と、
（ｃ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を配列させながら、治具中に充填する工程と、
（ｄ）前記治具を加熱して充填物を加熱焼結する工程と
を含むことを特徴とする金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項８】
（Ａ）金属粉末と、アスペクト比（長さ／直径）が少なくとも１０以上であり、１μｍ以下繊維長を有するナノサイズの炭素繊維とを混合して、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を調製する工程と、
（Ｂ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を、１μｍ〜５０μｍの直径を有し、１ｍｍ以上の長さを有するミクロンサイズの炭素繊維に付着させて、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を調製する工程と、
（Ｃ）金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物または前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を配列させながら治具中に充填し、前記治具を加熱して充填物を加熱焼結し、金属−ナノサイズ炭素繊維混合物焼結物または金属−ナノサイズ炭素繊維付着繊維焼結物を得る工程と、
（Ｄ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物、前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維、前記金属−ナノサイズ炭素繊維混合物焼結物、または前記金属−ナノサイズ炭素繊維付着繊維焼結物から選択される２種以上の材料を段階的に治具中に充填し、複数層からなる充填物得る工程と、
（Ｅ）前記治具を加熱して充填物を加熱焼結する工程と
を含むことを特徴とする金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項９】
前記工程（Ｄ）において、前記金属粉末とナノサイズの炭素繊維の混合物または前記金属−ナノサイズ炭素繊維混合物焼結物と、前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維または前記金属−ナノサイズ炭素繊維付着繊維焼結物の２種の材料を段階的に治具中に充填し、金属基炭素繊維複合材料の表面から一定領域に、他の領域よりも少ない量のミクロンサイズの炭素繊維を含むかもしくは全くミクロンサイズの炭素繊維を含まず、且つ、ナノサイズの炭素繊維が前記複合材料の前記表面に平行な配向を有し、前記一定領域が前記表面から１０μｍ〜５ｍｍである金属基炭素繊維複合材料を製造することを特徴とする請求項８に記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項１０】
前記ミクロンサイズの炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維または気相成長炭素繊維から選択され、前記ナノサイズの炭素繊維は、気相成長炭素繊維、多層カーボンナノチューブまたは単層カーボンナノチューブから選択されることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項１１】
前記金属または金属粉末は、銅、アルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金からなる群から選択されることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の金属基炭素繊維複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属基炭素繊維複合材料に関する。より詳細には、ミクロンサイズおよびナノサイズの炭素繊維を共含有する金属基複合材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置をはじめとする電子機器の発熱量は増大の一途を辿っている。ＰＣ用ＣＰＵを例に取ると、過去５年間で２倍のペースで消費電力量が増加しており（古河電工時報第１０６号、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｕｒｕｋａｗａ．ｃｏ．ｊｐ／ｊｉｈｏ／ｆｊ１０６／ｆｊ１０６＿０１．ｐｄｆ（非特許文献１））、これにともなって発熱量も増大している。【０００３】
このような電子機器の放熱対策としては、ヒートシンク等の放熱装置を用いる方法が一般的である。放熱装置を用いて冷却を行う場合、この放熱装置用材料の熱物性が冷却性能に大きく影響を及ぼす。【０００４】
注目すべき第一の熱物性は熱伝導率であり、これは高い方が望ましい。熱伝導率が高ければ、放熱装置全体に熱を行きわたらせることができ、熱を効率よく大気へ放散することが可能となる。【０００５】
次に、注目すべき第二の熱物性は、熱膨張率であり、これは、冷却されるべき発熱部の材料と同等であることが望ましい。発熱部の熱は、接触により放熱装置へと伝達されるが、両者の熱膨張率に不整合があると、理想的な接触状態が保たれず、正常な熱伝達が妨げられる。【０００６】
放熱装置の材料には上記の条件が満たされている必要がある。【０００７】
従来から用いられている放熱装置の材料は、主にアルミニウムと銅である。これらの熱伝導率はそれぞれ約２００Ｗ／（ｍＫ）および約４００Ｗ／（ｍＫ）と、一般的な材料（鉄：８４Ｗ／（ｍＫ）、ステンレス１４Ｗ／（ｍＫ）、ガラス１Ｗ／（ｍＫ）、樹脂１Ｗ／（ｍＫ）以下）と比較して高く、安価かつ加工性に優れている。一部の絶縁性や更に高い熱伝導性が要求される部分には窒化アルミニウム（熱伝導率２５０Ｗ／（ｍＫ）以下）やダイヤモンド（熱伝導率８００〜２０００Ｗ／（ｍＫ））のような材料も用いられているが、高価であるため一般的ではない。【０００８】
また、アルミニウムおよび銅については、熱膨張率が高い（それぞれ２３ｐｐｍ／Ｋおよび１７ｐｐｍ／Ｋ（ともに室温（ＲＴ）〜１００℃））。一方、半導体材料であるシリコンは熱膨張率が低い（２．６ｐｐｍ／Ｋ（ＲＴ〜１００℃））。このため、両者を接触させて放熱させる場合、両者間の熱膨張率に不整合を生じる。このため、これらの材料を放熱装置に用いる場合には、接触部にグリスなどを用いて両者の接触が保たれるようにしているが、グリスの熱伝導率は樹脂と同様の１Ｗ／（ｍＫ）程度であるために、大きな熱抵抗となる。【０００９】
さらに、近年注目されている、比較的安価で熱伝導性に優れた材料として、金属基炭素繊維複合材料がある。この材料は、炭素繊維方向の熱伝導率は高い（５００Ｗ／（ｍＫ）以上）ものの、炭素繊維に直交する方向の熱伝導率は４０Ｗ／（ｍＫ）以下と低く、熱膨張率に異方性も生じている（繊維方向０ｐｐｍ／Ｋ、繊維直交方向１４ｐｐｍ／Ｋ）。【００１０】
炭素繊維と金属の複合材料は、特開２００４−１６５６６５号公報や特開２００４−２２８２８号公報（特許文献１および２）に開示がある。ここに開示されている金属基炭素繊維複合材料の製造方法は、予め成型した炭素繊維の空隙に溶融金属を圧入する方法（溶湯含浸法）と考えられる。特に、上記文献はいずれもマトリックスへナノファイバを含有させてはおらず、これらの文献に開示されている方法では金属中にナノファイバを分散させることは困難である（ナノファイバと、溶融アルミニウムおよび溶融マグネシウムは反応してしまい、溶融銅とナノファイバは濡れ性が悪く混ざらない。）。さらに、ＷＯ２００５／０５９１９４号パンフレット（特許文献３）には、金属炭化物の生成を抑制しつつ、軽量で高熱伝導率を有し、かつ熱流の方向制御を可能とする金属基炭素繊維複合材料の製造方法が開示されている。この製造方法は、炭素繊維と金属の粉末とを物理的に混合して金属繊維混合物を得る工程と、金属繊維混合物を配列させながら治具中に充填する工程と、治具を大気中、真空中または不活性雰囲気中に設置し、加圧しながら直接パルス電流を通電させ、それによる発熱で焼結をする工程とを含む。この刊行物では、金属繊維混合物は一方向に配列されており、熱膨張率などの熱特性に関する開示はない。【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１６５６６５号公報
【特許文献２】特開２００４−２２８２８号公報
【特許文献３】国際公開第２００５／０５９１９４号パンフレット
【非特許文献１】古河電工時報第１０６号、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｕｒｕｋａｗａ．ｃｏ．ｊｐ／ｊｉｈｏ／ｆｊ１０６／ｆｊ１０６＿０１．ｐｄｆ
【発明の開示】
【００１２】
上記のような金属基炭素繊維複合材料、特に一方向の炭素繊維（ミクロンサイズ）を含む高熱伝導材料は、熱膨張率および炭素繊維と直交する方向の熱伝導率に関しさらなる改良が必要である。また、電子機器の小型軽量化に伴い、放熱部材の小型軽量化も求められてきている。
【００１３】
本発明はこのような問題点を解決することを目的としてなされたものである。
【００１４】
従って、本発明は、熱膨張率および炭素繊維と直交方向の熱伝導率が改善され、軽量化された金属基炭素繊維複合材料を提供することを目的とする。さらに、本発明は、このような金属基炭素複合材料の製造方法を提供する。
【００１５】
本発明では放熱装置などの材料として使用可能な金属基炭素繊維複合材料に関する。本発明の複合材料は、直径数ミクロンから数十ミクロンの炭素繊維（ミクロンサイズの炭素繊維またはミクロン炭素繊維とも称する）と直径数ナノメートルから数百ナノメートルのナノサイズの炭素繊維（ナノファイバとも称する）を金属へ複合添加したものである。本発明は、この複合材料において、それぞれの炭素繊維材料の配向性を制御することで、高い熱伝導率と任意の熱膨張率を両立することを可能にする。さらに本発明は、この金属基炭素繊維複合材料の製造方法に関する。
【００１６】
具体的には、本発明の第一の実施形態に係る金属基炭素繊維複合材料は、金属と、１μｍ〜５０μｍの直径を有し、１ｍｍ以上の長さを有するミクロンサイズの炭素繊維、および、アスペクト比（長さ／直径）が少なくとも１０以上であり、１μｍ以下の繊維長を有するナノサイズの炭素繊維を含む炭素繊維からなる金属基炭素繊維複合材料である。この複合材料は、第一の表面を有し、ミクロンサイズの炭素繊維は、複合材料の第一の表面に対して平行な一方向に向けて配向されて充填されており、前記第一の面の一端から対向する他端まで、その少なくとも５０％が連続しており、ナノサイズの炭素繊維はその８０％が第一の表面に対して３０°以内に配向されており、且つ、第一の表面と平行な面内ではランダムに配向していることを特徴とする。本発明の金属基炭素繊維複合材料では、上記の金属基炭素繊維複合材料において、第一の表面から一定距離の内部領域が、他の領域よりも少ない量のミクロンサイズの炭素繊維を含むかもしくは全くミクロンサイズの炭素繊維を含まず、且つ、ナノサイズの炭素繊維が前記複合材料の第一の表面に平行な配向を有することを特徴とする。この実施形態では、他の領域が複数層からなり、各層の材料の組成の少なくとも一部が互いに異なっていてもよい。この第一の表面の一定距離は、表面から１０μｍ〜５ｍｍであることが好ましい。また、前記ミクロンサイズの炭素繊維は前記複合材料中に２０〜８０体積％含まれ、前記ナノサイズの炭素繊維は前記複合材料中に１〜５０体積％含まれることが好ましい。
【００１７】
本発明の一実施形態に係る金属基炭素繊維複合材料の製造方法は、以下の工程を含む。（ａ）金属粉末と、アスペクト比（長さ／直径）が少なくとも１０以上であり、１μｍ以下の繊維長を有するナノサイズの炭素繊維とを混合して、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を調製する工程、（ｂ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を、１μｍ〜５０μｍの直径を有し、１ｍｍ以上の長さを有するミクロンサイズの炭素繊維に付着させて、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を調製する工程、（ｃ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を配列させながら、治具中に充填する工程、および（ｄ）前記治具を加熱して充填物を加熱焼結する工程。
【００１８】
本発明の別の実施形態に係る金属基炭素繊維複合材料の製造方法は、２層以上の層構造を有する金属基炭素繊維複合材料の製造方法であり、以下の工程を含む。（Ａ）金属粉末と、アスペクト比（長さ／直径）が少なくとも１０以上であり、１μｍ以下の繊維長を有するナノサイズの炭素繊維とを混合して、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を調製する工程、（Ｂ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を、１μｍ〜５０μｍの直径を有し、１ｍｍ以上の長さを有するミクロンサイズの炭素繊維に付着させて、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を調製する工程、（Ｃ）金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物または前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を配列させながら治具中に充填し、前記治具を加熱して充填物を加熱焼結し、金属−ナノサイズ炭素繊維混合物焼結物または金属−ナノサイズ炭素繊維付着繊維焼結物を得る工程、（Ｄ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物、前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維、前記金属−ナノサイズ炭素繊維混合物焼結物、または前記金属−ナノサイズ炭素繊維付着繊維焼結物から選択される２種以上の材料を段階的に治具中に充填し、複数層からなる充填物得る工程、および（Ｅ）前記治具を加熱して充填物を加熱焼結する工程。
【００１９】
この実施形態では、特に工程（Ｄ）において、前記金属粉末とナノサイズの炭素繊維の混合物または前記金属−ナノサイズ炭素繊維混合物焼結物と、前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維または前記金属−ナノサイズ炭素繊維付着繊維焼結物の２種の材料を段階的に治具中に充填することで、上記の、金属基炭素繊維複合材料の表面から一定領域に、他の領域よりも少ない量のミクロンサイズの炭素繊維を含むかもしくは全くミクロンサイズの炭素繊維を含まず、且つ、ナノサイズの炭素繊維が前記複合材料の前記表面に平行な配向を有し、前記一定領域が前記表面から１０μｍ〜５ｍｍである金属基炭素繊維複合材料を製造することができる。
【００２０】
本発明においては、ミクロンサイズの炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維または気相成長炭素繊維から選択され、ナノサイズの炭素繊維は、気相成長炭素繊維、多層カーボンナノチューブまたは単層カーボンナノチューブから選択されることが好ましい。また、金属は、銅、アルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金からなる群から選択されることが好ましい。
【００２１】
本発明によれば、従来の金属基炭素繊維複合材料、特に一方向の炭素繊維（ミクロンサイズ）を含む高熱伝導材料の欠点であった、ミクロンサイズの炭素繊維と直交方向の熱伝導率、熱膨張率等を改善することができる。さらに、本発明の複合材料は軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の金属基炭素繊維複合材料の構造を示す概略斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａ中に示すＺ軸方向から見た場合の本発明の金属基炭素繊維複合材料の構造を示す概略図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａ中に示すＸ軸方向から見た場合の本発明の金属基炭素繊維複合材料の構造を示す概略図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の別の実施形態の金属基炭素繊維複合材料の構造を示す概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１Ａの複合材料を発熱体に適用した例を示す概略図である。
【図３】図３は、本発明で使用する金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を製造する工程を説明するための図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造に用いる装置の一例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、ダイ、下部および上部パンチの部分の拡大概略図である。
【図５】図５は、パルス通電焼結法により作成したＡｌ−１５ｗｔ％ＶＧＣＦ複合材料の電子顕微鏡写真を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の金属基炭素繊維複合材料を製造する際の金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物等の充填の仕方を説明する図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の金属基炭素繊維複合材料を製造する際の金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物等の充填の仕方を説明する図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の金属基炭素繊維複合材料を製造する際の金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物等の充填の仕方を説明する図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本発明の金属基炭素繊維複合材料を製造する際の金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物等の充填の仕方を説明する図である。
【図７】図７は、実施例で作成したアルミニウム−気相成長炭素繊維ナノファイバ−ピッチ系炭素繊維複合材料の電子顕微鏡写真である。
【図８Ａ】図８Ａは、実施例２で作成した本発明の炭素繊維複合材料の電子顕微鏡写真であり、ナノサイズ繊維の複合材料表面に対する配向を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、実施例１で作成した本発明の炭素繊維複合材料の電子顕微鏡写真であり、ナノサイズ繊維の複合材料表面に対する配向を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１００    金属基炭素繊維複合材料
１０２    ミクロンサイズの炭素繊維
１０４    ナノサイズの炭素繊維
１０６    金属
１１０    面
１１２    面
１１４    面
２００    金属基炭素繊維複合材料
２０２    表面領域
２０４    他の領域
２０６    表面
３０２    巻出ボビン
３０４    繊維束
３０６    攪拌装置
３０８    容器
３１０    金属粉末懸濁液
３１２    ナノサイズ炭素繊維付着繊維
３１４    巻取ボビン
４００    加圧焼結容器
４０２    ダイ
４０４    下部パンチ
４０６    上部パンチ
４０８    プラテン
４１０    プランジャ
４１２    材料
４１４    電源
６０２    焼結物
６０４    焼結物
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、金属と炭素繊維からなる金属基炭素繊維複合材料に関する。本発明では、炭素繊維は、ミクロンサイズの炭素繊維とナノサイズの炭素繊維を含む。【００２５】
以下に、第一の実施形態の例示として、図１Ａから図１Ｃを参照して本発明の金属基炭素繊維複合材料を説明する。図１Ａは、本発明の金属基炭素繊維複合材料の斜視図（内部構造の概略も示したもの）であり、図１Ｂは、図１Ａに示すＸ−Ｙ−Ｚ軸のＺ軸方向から複合材料を見た場合の図であり、図１CはＸ−Ｙ−Ｚ軸のＸ軸方向から複合材料を見た場合の図である。なお、以下では、図１Ａに示される座標軸を用いて説明するが、これらは、便宜上の方向付けをするためのものであることに留意されたい。【００２６】
本発明の金属基炭素繊維複合材料１００は、ミクロンサイズの炭素繊維１０２、ナノサイズの炭素繊維１０４、および金属１０６が複合化された複合材料である。特に本発明の金属基炭素繊維複合材料１００は、金属マトリック内においてＸ軸方向に配向されたミクロンサイズの炭素繊維１０２と、金属マトリック内に分散して存在するナノサイズの炭素繊維１０４を含む。【００２７】
ミクロンサイズの炭素繊維１０２は、複合材料の一端（図１ＡのＹ−Ｚ面に平行な１１０で示される面）から他端（図１ＡのＹ−Ｚ面に平行な１１２で示される面）まで連続しているが、その程度は、ミクロンサイズの炭素繊維の総量に対して５０％以上であることが好ましい。【００２８】
ナノサイズの炭素繊維１０４は、図１Ｂに示されるようにＺ軸に垂直な面内に関してランダムな方向に配列しているが、図１Ｃに示されるように、ナノサイズの炭素繊維１０４の少なくとも８０％はこのＺ軸に垂直な面（図１ＡのＸ−Ｙ面）に対して３０°以内、好ましくは、１０°以内に配向されていることを特徴とする。【００２９】
このように、本発明の複合材料は、第一の表面（例えば、図１ＡのＸ−Ｙ平面に平行な面１１４）を有し、ミクロンサイズの炭素繊維は、複合材料の第一の表面に対して平行な一方向（例えば、図１ＡのＸ軸方向）に向けて配向されて充填されており、ナノサイズの炭素繊維はその少なくとも８０％が第一の表面に対して３０°以内、好ましくは１０°以内に配向されており、且つ、第一の表面と平行な面内ではランダムに配向していることを特徴とする。本発明は、図１Ａから図１Cに示した態様に加え、この複合材料が複数層を有する場合も包含する。この場合、各層の構成材料である、金属、ミクロンサイズの炭素繊維またはナノサイズの炭素繊維の組成は、互いに異なっている。【００３０】
ミクロンサイズの炭素繊維は、複合材料中に２０〜８０体積％含まれ、ナノサイズの炭素繊維は、複合材料中に１〜５０体積％含まれることが好ましい。【００３１】
次に、第二の実施形態に係る本発明の金属基炭素繊維複合材料について、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明する。図２Ａは、第二の実施形態に係る本発明の金属基炭素繊維複合材料の構造を示す概略図であり、図１Ａから図１Cと同様の座標軸を設けた場合、Ｘ面から見た場合の図である。図２Ｂは、この金属基炭素繊維複合材料を発熱体に装着した場合の図である。【００３２】
図２Ａに示されるように、第二の実施形態に係る金属基炭素繊維複合材料２００は、その表面領域２０２に、他の領域２０４よりも少ない量のミクロンサイズの炭素繊維１０２を含むかもしくは全くミクロンサイズの炭素繊維を含まず、且つ、ナノサイズの炭素繊維１０４が複合材料の表面２０６に平行な配向を有することを特徴とする。なお、図２Ａは、表面領域が全くミクロンサイズの炭素繊維を含まない場合を例示している。【００３３】
このように、第二の実施形態に係る複合材料は、第一の表面（例えば、図２ＡのＸ−Ｙ平面に平行な面２０６）から一定距離の内部領域が、他の領域よりも少ない量のミクロンサイズの炭素繊維を含むか、もしくは全くミクロンサイズの炭素繊維を含まず、且つ、ナノサイズの炭素繊維が前記複合材料の第一の表面にほぼ平行な配向を有することを特徴とする。第一の表面から一定距離の内部領域にあるナノサイズの炭素繊維は、その少なくとも９０％が第一の表面にほぼ平行な配向を有することが好ましい。【００３４】
本発明では、この第一の表面からの一定距離は、第一の表面（例えば、図２ＡのＸ−Ｙ平面に平行な面２０６）から１０μｍ〜５ｍｍであることが好ましい。【００３５】
本発明の第二の実施形態に係る複合材料は、表面領域２０２において、ミクロンサイズの炭素繊維の配合量が少ないか、もしくは全く含まず、且つ、ナノサイズの炭素繊維が表面２０６に沿った配向を有する構造とすることで面内に等方的な熱膨張率を有することができる。ミクロンサイズの炭素繊維の配向方向は、熱膨張の抑制が大きいため、第二の実施形態に係る複合材料のような構造とすることで、複合材料の表面を発熱部の熱膨張率に合わせて調節することができる。すなわち、表面領域の炭素繊維の配合を適宜選択することで、複合材料の表面を発熱部の熱膨張率に合わせて調節することができる。【００３６】
なお、本発明の第二の実施形態に係る複合材料は、上述のように二層のみではなく、多層構造とすることも可能である。例えば、他の領域２０４を複数の層で構成することができる。この場合、各層の構成材料である、金属、ミクロンサイズの炭素繊維またはナノサイズの炭素繊維の組成は、表面領域２０２を含め互いに異なっている。このようにすることで、熱伝導率および熱膨張率をさらに改善することができる。【００３７】
本発明の金属基炭素繊維複合材料は、熱伝導率について、ミクロンサイズの炭素繊維の配向方向（例えば、図１ＡではＸ軸）（一方向）に３００〜１０００Ｗ／（ｍＫ）（ワット毎メートル毎ケルビン）を有する。また、ナノサイズの炭素繊維の熱伝導率への寄与により、ミクロンサイズの炭素繊維と直角（例えば、図１ＡではＺ軸）方向に５０〜２００Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有する。熱膨張率については、ミクロンサイズの炭素繊維、およびミクロンサイズの炭素繊維に直角な面内（上記図１ＡのＸ−Ｙ平面）にランダムに配向したナノサイズの炭素繊維の効果により−１〜２０ｐｐｍ／Ｋを有する。これらの値はミクロンサイズの炭素繊維の配合率、ナノサイズの炭素繊維の配合率と、これらの配向方向を適切に選択することで制御することができる。【００３８】
次に本発明の金属基炭素繊維複合材料の各成分について説明する。【００３９】
１．炭素繊維
本発明に用いられるミクロンサイズの炭素繊維として、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、気相成長炭素繊維が挙げられる。これらの炭素繊維は、１μｍ〜５０μｍの直径を有する繊維が適当である。また、これら炭素繊維は、所望される複合材料の寸法にも依存するが、１ｍｍ以上の長さを有することが好ましく、所望される複合材料の一端から他端までの長さを有することが特に好ましい。本発明では、ミクロンサイズの炭素繊維は、複合材料中で１方向に配列させ、その全量の少なくとも５０％が、複合材料において配向方向の一端から他端まで連続していることが好ましい。【００４０】
ナノサイズの炭素繊維としては、気相成長炭素繊維、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）または単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）を挙げることができる。これらの炭素繊維およびカーボンナノチューブは、１μｍ（１０００ｎｍ）以下の繊維長のものが好適である。ナノサイズの炭素繊維は、アスペクト比（長さ／直径）が少なくとも１０以上であることが好ましい。【００４１】
２．金属
本発明に用いる金属は、高い熱伝導性を有する金属であり、アルミニウム、アルミニウムの合金、銅、銅の合金、マグネシウムまたはマグネシウムの合金を含む。例えば、熱伝導性を高くすることが第一義的目的である場合、銅またはその合金を用いることができる。また、例えば、軽量であることが第一義的目的である場合、より小さい密度を有するアルミニウム、アルミニウムの合金、マグネシウムまたはマグネシウムの合金を用いることができる。金属の密度は、アルミニウム（２．７ｇ／ｃｍ３）、マグネシウム（１．８ｇ／ｃｍ３）、銅（８．９ｇ／ｃｍ３）とこれらを主とする合金であることが好ましい。このような材料を用いることで、本発明の複合材料は低密度（軽量）にすることができる。【００４２】
金属は、平均粒径１０ｎｍ〜５０μｍの粉末であることが好ましい。【００４３】
金属と２種類の炭素繊維を複合化することによりアルミニウム基炭素繊維複合材料（２．６ｇ／ｃｍ３以下）、マグネシウム基炭素繊維複合材料（２．２ｇ／ｃｍ３以下）または銅基炭素繊維複合材料（７．６ｇ／ｃｍ３以下）を得ることができる。このような複合材料では、ミクロンサイズの炭素繊維とナノサイズの炭素繊維を総合した炭素分の総量は、複合材料の２０〜８０体積％であることが好ましい。【００４４】
代表的な炭素繊維および金属の熱物性を以下の表１に示す。【００４５】
【表１】
0005364905.tif 000002
【００４６】
本発明の金属基炭素繊維複合材料は、例えば、半導体を用いた電子装置またはパワーモジュールの放熱部材（基板、ヒートシンク、ヒートスプレッダなど）として有用である。半導体を用いた電子装置は、たとえば中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶素子（メモリ）、各種装置のコントローラＩＣ、フラットパネルディスプレイ装置、画像処理装置、通信装置（無線および有線）、光電ハイブリッド回路など当該技術において知られている任意のものであってもよい。パワーモジュールは、サイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＩＥＧＴなどの素子を用いたコンバータ、インバータなどを含む。本発明の金属基炭素繊維複合材料をヒートシンクまたはヒートスプレッダのような放熱部材として用いる場合、該材料は適当な形状に加工されて、これらの装置において発生する熱を、中間的ないし最終的な冷媒へと輸送するように取り付けられる。特に、図２Ａに示されるような多層の金属基炭素繊維複合材料の場合には、発熱体側に、上述の表面領域２０２の側を接触させるようにすることが好ましい（図２Ｂ参照）。【００４７】
さらに、金属基炭素繊維複合材料と発熱体を接触させる際に、本発明の複合材料およびそれら装置の接合部において、それぞれの表面の凹凸を充填するための柔軟な伝熱媒体（たとえば、銀などの高熱伝導性粒子を分散させてもよいシリコーングリース、熱伝導シートなど）を用いて、装置から複合材料への均一な熱伝導を達成してもよい。【００４８】
次に、本発明の金属基炭素繊維複合材料の製造方法について説明する。【００４９】
本発明の製造方法の一実施形態は、（ａ）金属粉末とナノサイズの炭素繊維の混合して、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を調製する工程と、（ｂ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物をミクロンサイズの炭素繊維に付着させて、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を調製する工程と、（ｃ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を配列させながら、治具中に充填する工程と、（ｄ）前記治具を加熱して充填物を加熱焼結する工程とを含む。【００５０】
別の実施形態では、（Ａ）金属粉末とナノサイズの炭素繊維の混合して、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を調製する工程と、（Ｂ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物をミクロンサイズの炭素繊維に付着させて、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を調製する工程と、（Ｃ）金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物または前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を配列させながら治具中に充填し、前記治具を加熱して充填物を加熱焼結し、金属−ナノサイズ炭素繊維混合物焼結物または金属−ナノサイズ炭素繊維付着繊維焼結物を得る工程と、（Ｄ）前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物、前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維、前記金属−ナノサイズ炭素繊維混合物焼結物、または前記金属−ナノサイズ炭素繊維付着繊維焼結物から選択される２種以上の材料を段階的に治具中に充填し、複数層からなる充填物得る工程と、（Ｅ）前記治具を加熱して充填物を加熱焼結する工程とを含む。【００５１】
以下、図面を参照しながら本発明の製造方法を詳細に説明する。【００５２】
本発明の製造方法の第一の工程は、金属粉末とナノサイズの炭素繊維とを混合して、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を形成する工程である。【００５３】
金属の粉末とナノサイズの炭素繊維を混合する。混合法はナノサイズの炭素繊維、金属粉ともに凝集しやすいため、湿式が望ましい。混合液の溶媒には、アルミニウム、マグネシウムおよびこれらを基とする合金を用いる場合、有機溶媒を用いることができる。なお、銅および銅を基とする合金の場合は水を溶媒として用いることも可能である。有機溶媒は特に限定されないが、アルコール（メタノール、エタノール、プロパノールなど）、炭化水素溶媒（例えばヘキサン、ベンゼン、キシレン、トルエンなど）、ケトン（アセトンなど）、エーテル（ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルメチルエーテルなど）、ハロゲン化炭化水素（クロロホルムなど）、ミネラルスピリット等から選択することができる。必要に応じて、溶媒規準で０．１〜２重量％の分散剤を加えることが好ましい。分散剤には、ポリエチレングリコール、プルロニック系分散剤（プルロニック（登録商標）Ｆ６８）などが挙げられる。【００５４】
溶媒は、固形成分（金属粉末とナノサイズの炭素繊維）の５０〜９０体積％程度加えられる。溶媒、金属およびナノサイズの炭素繊維は、スターラー、超音波混合、ボールミル混合のいずれか、または、これらを組み合わせて用いることにより混合される。例えば、スターラーによる混合と超音波による混合は同時に行うことができる。これらの混合条件は、材料により適宜選択すればよく、条件の選択は当業者により容易に行うことができる。【００５５】
第二の工程は、前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物をミクロンサイズの炭素繊維に付着させて、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を調製する工程である。【００５６】
第一の工程で調製された、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物の懸濁液をミクロンサイズの炭素繊維に付着させる。付着方法は懸濁液への浸漬による。市販のミクロン炭素繊維は２０００〜２００００本の束がボビンに巻かれた状態であるため、図３に示すようにローラーを介した懸濁液への浸漬により連続的に付着が可能である。浸漬速度は、例えば１０〜２００ｍｍ／ｓとすることができる。なお、この工程は、自動浸漬であっても手作業による浸漬であってもよい。【００５７】
図３の装置では、巻出ボビン３０２から繊維束３０４が巻き解かれ、攪拌装置３０６により攪拌される容器３０８内の金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物（金属粉末懸濁液）３１０中に浸漬され、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維（金属粉末が付着した繊維束）３１２が巻取ボビン３１４に巻き取られる。【００５８】
次に、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を乾燥させる。巻取ボビン３１４に巻き取る前または後に、自然乾燥、温（熱）風乾燥機による乾燥、ロータリーポンプによる常温減圧乾燥等の方法を適用することが可能である。これらの乾燥条件は、材料により適宜選択すればよく、条件の選択は当業者により容易に行うことができる。【００５９】
金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物は細かいため、乾燥後も自然に発生する静電力により脱離はほとんど生じない。脱離が問題となる場合は金属粉末懸濁液溶媒中にパラフィンワックス等のバインダを０．１〜２重量％混合させて金属粉−ナノサイズ炭素繊維混合物をミクロンサイズの炭素繊維に保持する。なお、この場合には５００℃以上の温度で、不活性雰囲気中において脱ワックスを行う工程が必要となるため、融点の低いアルミニウム、マグネシウム等の金属を用いる場合には別途の方法（例えば後述するような方法）が必要となる。【００６０】
次に、本発明の第三の工程は、前記金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を配列させながら、治具中に充填する工程である。また、本発明の第四の工程は、第三の工程で充填した充填物を加熱焼結する工程である。本発明では、一軸加圧焼結法を用いることができる。生産性の高い方法としてはパルス通電焼結法が挙げられる。この他、ホットプレス法も適用可能である。以下に第三の工程と第四の工程を併せて説明する。【００６１】
本発明において用いることができる加圧焼結装置を図４Ａおよび図４Ｂに示す。図４Ａは、装置の全体構成を示す概略図であり、図４Ｂは、ダイ、下部パンチおよび上部パンチの部分（治具部分）の拡大図である。図４Ａの加圧焼結装置は、加圧焼結容器４００と、貫通孔を有するダイ４０２ならびに該貫通孔に嵌合する下部パンチ４０４および上部パンチ４０６とで構成される治具と、下部パンチ４０４と上部パンチ４０６に対して圧力を加えるプラテン４０８およびプランジャ４１０と、下部パンチ４０４と上部パンチ４０６に接続され、材料４１２に対して電流を流すための電源４１４とを備える。【００６２】
まず、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を所定の長さに切断し、上記加圧焼結装置の治具内に充填する。【００６３】
図４Ｂに示されるように、ダイ４０２に下部パンチ４０４を嵌合させて形成される凹部に、繊維を配列させながら、材料４１２を充填する。例えば、前述の懸濁液浸漬法によって得られる金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を用いる場合、巻取ボビンから巻き解かれたこの炭素繊維を適当な長さに切断し、切断した金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を、ダイ４０２および下部パンチ４０４から形成される凹部に配列させながら充填することができる。さらに、金属粉末懸濁液中に分散剤を用いた場合には、上部パンチ４０６を載置する前、あるいは上部パンチ４０６を載置後１〜１０ＭＰａの低加圧状態において、真空中または不活性雰囲気（窒素、アルゴン、ヘリウムなど）下、充填した金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を２００〜４００℃の温度に加熱して分散剤を除去して、金属粉末および炭素繊維からなる金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を形成することが望ましい。分散剤の加熱除去工程は、加熱手段をさらに備えたパルス通電焼結装置中で行ってもよいし、あるいは別個の加熱装置中で行ってもよい。なお、金属粉末として銅粉末を用いる場合には、分散剤の加熱除去工程を酸化性雰囲気（空気、酸素富化空気または純酸素など）において行ってもよい。【００６４】
次に、充填された材料（金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維）４１２の上に上部パンチ４０６を載置し、組み合わせられた治具を、加圧焼結容器４００内のプレス機のプラテン４０８およびプランジャ４１０の間に配置し、焼結工程を実施する。焼結工程は、大気中、真空中または不活性雰囲気中で実施することが好ましい。加圧焼結容器４００内を真空とするために、加圧焼結容器４００は適切な真空排気系と接続される排気口（不図示）を有していてもよい。真空中で焼結工程を行う場合、容器内圧力を０〜２０Ｐａ、好ましくは０〜５Ｐａとすることが望ましい。あるいはまた、加圧焼結容器４００が不活性ガス導入口およびガス排出口（ともに不図示）を有して、加圧焼結容器４００を不活性ガス（窒素、アルゴン、ヘリウムなど）でパージして不活性雰囲気を実現してもよい。【００６５】
次に、上部パンチ４０６をプランジャで押圧して、材料（金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維）４１２に圧力を印加する。印加される圧力は、例えば５〜３００ＭＰａが好ましい。焼結温度は金属種により異なるが、金属種が純アルミニウム、純マグネシウムの場合、例えば５００〜６５０℃、純銅の場合は７００〜１０５０℃程度である。焼結の雰囲気は、５０Ｐａ以下の真空もしくは０．１ＭＰａ（１気圧）以下の窒素、アルゴン等の不活性雰囲気であることが好ましい。【００６６】
そして、下部パンチ４０４および上部パンチ４０６に接続される電源４１４を用いて、パルス状の電流を材料４１２に通電して焼結を実施する。この際に用いられる電流のパルス幅は、０．００５〜０．０２秒、好ましくは０．００５〜０．０１秒であり、電流密度（ダイ４０２の貫通孔の断面積を規準とする）が５×１０５〜２×１０７Ａ／ｍ２、好ましくは５×１０６〜１×１０７Ａ／ｍ２であることが望ましい。そのような電流密度を達成するための電圧は、材料４１２を含めた導電経路の抵抗値に依存するが、通常２〜８Ｖの範囲内である。パルス状電流の通電は、所望される焼結が完了するまで継続され、その継続時間は複合材料の寸法、電流密度、炭素繊維の混合比などに依存して変化する。【００６７】
前述のようにパルス状電流を通電することによって、金属粒子の塑性変形および粉末間の融着が生じて焼結が進行する。本工程のようにパルス状電流を用いた場合、金属繊維混合物全体を加熱するのとは異なり金属粒子が結合を起こすべき部位に発熱が集中するので、電流のエネルギーをより効率的に利用し、より速やかに焼結を行うことが可能となる。そして、金属繊維混合物全体の温度はそれほど上昇することがなく、金属−炭素繊維間の反応による炭化物が生成しないという点において、従来の溶湯含浸法よりも有利である。したがって、コーティングなどを施されていない安価な炭素繊維を用いて、優れた特性を有する金属基炭素繊維複合材料を得ることが可能である。また、通電初期に発生するプラズマが、粉末の吸着ガスおよび酸化被膜の除去などの作用を有する点においても、通常の抵抗加熱法よりも有利である。【００６８】
このような一軸加圧プロセスを行う事で、少なくとも８０％のナノサイズの炭素繊維が加圧軸と垂直面へ倒れ、加圧軸（例えば、図１ＡのＺ軸）と垂直な面（例えば、図１ＡのＸ−Ｙ平面）に対して３０°以内、好ましくは１０°以内に沿った配向となる。図５にＡｌ−１５ｗｔ％ＶＧＣＦ（前述した図２Ａで示されるような、表面領域がミクロンサイズの炭素繊維を実質的に含まないものの、表層部分に相当）のパルス通電焼結法による複合材料の電子顕微鏡写真を示す。ＶＧＣＦ（ナノサイズの炭素繊維）が加圧軸に垂直な面（すなわち、図５の紙面内の左右方向）に沿った構造となっている。【００６９】
本発明の製造方法の別の実施形態を図６Ａから図６Ｄを参照して説明する。本実施形態は、ダイ４０２内の下部パンチ４０４上に材料を充填するときに多段階で異なる組成のものを充填する。この実施形態により、図２Ａに示したような、複合材料の表面部分にミクロンサイズの炭素繊維を実質的に含まない部分を有する金属基炭素繊維複合材料を製造することができる。【００７０】
本実施形態の第一の例は、図６Ａに示されるように、異なる未焼結の金属基炭素繊維複合材料の原料を二段階で充填し、加圧焼結するものである。異なる原料としては、例えば金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物および金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を挙げることができる。充填は例えば、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物を充填し、次いで金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を充填する手順、またはこの逆の手順を挙げることができる。【００７１】
別法（第二および第三の例）として、予め焼結された金属基炭素繊維複合材料と、未焼結の金属基炭素繊維複合材料の原料を組み合わせて充填することもできる。例えば、図６Ｂに示されるように、金属粉末−ナノサイズ炭素繊維混合物の焼結物６０２を充填し、次いで金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維３１２を充填する手順を挙げることができる。なお、この逆の手順も可能である（図６Ｃ参照）。【００７２】
さらなる方法（第四の例）として、異なる焼結された金属基炭素繊維複合材料を再充填し、焼結接合することもできる。例えば、図６Ｄに示されるように、予め焼結された金属−ナノサイズ炭素繊維付着繊維の焼結物６０４と、予め焼結された金属−ナノサイズ炭素繊維混合物の焼結物６０２を所望の順序（図では、金属−ナノサイズ炭素繊維付着繊維の焼結物、次いで予め焼結された金属−ナノサイズ炭素繊維混合物の焼結物の順であるが、層構成は逆にすることもできる。）に充填し、焼結接合する。【００７３】
上記の例は、二層の金属基炭素繊維複合材料を製造する例であるが、本実施形態は、熱応力の緩和等を目的として、さらに多段化することも可能である。多段化するには、上記のいずれかの方法を適用して、異なる材料を多段に充填し、焼結すればよい。【００７４】
本実施形態により、複数層で組成（配合比、構造等）が異なる材料を作製することができる。
【実施例１】
【００７５】
アルミニウム−気相成長炭素繊維ナノファイバ−ピッチ系炭素繊維複合材料の実施例を示す。【００７６】
アルミニウム粉末（昭和電工製：平均粒径５μｍ）、気相成長炭素繊維ナノファイバ（以下ＶＧＣＦ、昭和電工製：直径１５０ｎｍ、アスペクト比６０以上）、ピッチ系炭素繊維（直径１０μｍ、２０００本の繊維束）を用いた。【００７７】
アルミニウム粉末４７．５ｇ、ＶＧＣＦ２．５ｇにイソプロパノール８０ｃｃを加え、超音波混合装置により１時間混合してアルミニウム−ナノファイバ混合物を得た。【００７８】
ピッチ系炭素繊維の繊維束を上記のようにして得られた懸濁液に浸漬させ、繊維束にアルミニウム−ナノファイバ混合物を付着させた。【００７９】
２４時間の風乾により乾燥した。この結果アルミニウム粉末３３．３重量％、ＶＧＣＦ１．７重量％、ピッチ系炭素繊維６５重量％となる金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を得た。【００８０】
金属粉末−ナノサイズ炭素繊維付着繊維を２０ｍｍに切断し、２０ｍｍ正方断面を有する黒鉛製焼結ダイ中へ充填した。このダイをパルス通電焼結機にて１０Ｐａの真空中、加圧力５０ＭＰａ、焼結温度６００℃にて焼結し、複合材料を得た。得られた複合材料の熱物性をアルミニウム−ピッチ系炭素繊維複合材の熱物性と共に表２に示す。なお、表２において、Ｘ、Ｙ、Ｚは、得られた複合材料をＸ−Ｙ−Ｚ軸のように配置した場合の各方向を表す。【００８１】
【表２】
0005364905.tif 000003
【００８２】
また、得られた複合材料の電子顕微鏡写真を図７および図８Ｂに示す。図８Ｂに示したように、ナノファイバの８０％が複合材料の表面（図１Ａでは、複合材料の第一の面としてのＸ−Ｙ平面）に対して一定の範囲、すなわち３０°以内、好ましくは１０°以内に配向していることがわかる（なお、図８Ｂ中では、１０°以内に配向しているものについてのみ角度を示した）。また、図７および図８Ｂから明らかなように、ミクロンサイズの炭素繊維は、複合材料の第一の面の一端から対向する他端（図１Ａでは、複合材料のＹ−Ｚ面に平行な１１０から１１２）まで、その少なくとも５０％が連続している。
【実施例２】
【００８３】
アルミニウム−気相成長炭素繊維ナノファイバ複合材料の実施例を示す。【００８４】
アルミニウム粉末（昭和電工製：平均粒径５μｍ）、気相成長炭素繊維ナノファイバ（以下ＶＧＣＦ、昭和電工製：直径１５０ｎｍ、アスペクト比６０以上）、ピッチ系炭素繊維（直径１０μｍ、２０００本の繊維束）を用いた。【００８５】
アルミニウム粉末４２．５ｇ、ＶＧＣＦ７．５ｇにイソプロパノール８０ｃｃを加え、超音波混合装置により１時間混合した。【００８６】
２４時間の風乾により乾燥した。この結果アルミニウム粉末７５重量％、ＶＧＣＦ１５重量％となる混合粉末を得た。【００８７】
この混合粉末を２０ｍｍ正方断面を有する黒鉛製焼結ダイ中へ充填した。このダイをパルス通電焼結機にて１０Ｐａの真空中、加圧力５０ＭＰａ、焼結温度６００℃にて焼結し、複合材料を得た。得られた複合材料の熱物性を表３に示す。また、得られた複合材料の電子顕微鏡写真を図５および図８Ａに示す。図８Ａに示したように、ナノファイバの８０％が複合材料の表面（図１Ａでは、複合材料の第一の面としてのＸ−Ｙ平面）に対して一定の範囲、すなわち３０°以内、好ましくは１０°以内に配向していることがわかる（なお、図中では、１０°以内に配向しているものについてのみ角度を示した）。【００８８】
【表３】
0005364905.tif 000004
【実施例３】
【００８９】
上記実施例１および２で得られた各複合材料を、２０ｍｍ正方断面を有する黒鉛製焼結ダイ中へ充填した。このダイをパルス通電焼結機で１０Ｐａの真空中、加圧力５０ＭＰａ、焼結温度６００℃にて焼結し、表面領域にミクロンサイズの炭素繊維を含まない複合材料を得た。この複合材料は、上記実施例１および２で得られた特性をそれぞれの層に備える複合材料であった。
【図１Ａ】
0005364905.tif 000005
【図１Ｂ】
0005364905.tif 000006
【図１Ｃ】
0005364905.tif 000007
【図２Ａ】
0005364905.tif 000008
【図２Ｂ】
0005364905.tif 000009
【図３】
0005364905.tif 000010
【図４Ａ】
0005364905.tif 000011
【図４Ｂ】
0005364905.tif 000012
【図６Ａ】
0005364905.tif 000013
【図６Ｂ】
0005364905.tif 000014
【図６Ｃ】
0005364905.tif 000015
【図６Ｄ】
0005364905.tif 000016
【図５】
0005364905.tif 000017
【図７】
0005364905.tif 000018
【図８Ａ】
0005364905.tif 000019
【図８Ｂ】
0005364905.tif 000020