(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の炭素繊維からなる積層体と同積層体を形成する繊維と繊維との間の間隙に存在する炭素粉末とから構成される焼成体からなる複合材料であって、当該複数の炭素繊維が、当該焼成体の底部を形成する面に対して、各繊維の長手方向が４０°〜５０°の角度をなすように配置されており、熱伝導率が少なくとも２００Ｗ／ｍＫであり、底部と平行な面方向の熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以上〜８．０×１０-6／℃以下の範囲にあることを特徴とする高熱伝導性炭素繊維複合材料。
【請求項２】
長炭素繊維を各繊維の長手方向が相互に平行となるように、成形槽中に引き揃えながら積層し、このものを６００℃以下の温度に加温しながら、所定の圧力を加えてバインダーを繊維と繊維間の間隙に含浸させ、成形し、次いで得られた成形品を不活性雰囲気下で、２０００〜３０００℃の温度で焼成し、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部とが形成する角度が４０°〜５０°となるように、焼成体を切り出し加工するかまたは、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部とが形成する角度が４０°〜５０°となるよう引き揃えることにより製造することを特徴とする、炭素繊維と炭素粉末からなる炭素繊維複合材料であって、熱伝導率が少なくとも２００Ｗ／ｍＫであり、切断面方向または底部の平行な面方向の熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以上〜８．０×１０-6／℃以下の範囲にある高熱伝導性炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の高熱伝導性炭素繊維複合材料からなることを特徴とするヒートシンク。
【請求項４】
請求項１に記載の高熱伝導性炭素繊維複合材料からなることを特徴とするヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱伝導効率が高い複合材料であって、ヒートシンクや、ヒートパイプとして好適に使用できる実質的に金属を含まない炭素繊維複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、化石燃料の使用に伴う、炭酸ガスの発生、大気汚染物質であるＮＯｘ等の根本的な削減が地球規模で問題となっている。化石燃料の有効利用を図ることを目的に、化石燃料の燃焼時に発生する熱をエネルギー源として有効に使用しようとする試みが各種なされてきている。このような熱のエネルギー源としての有効利用には、ヒートシンクやヒートパイプ等の材料として、熱伝導度に優れた材料の出現が求められてきている。そのような材料としては、アルミ、銅、銅タングステン合金、銅モリブデン合金等の合金や、炭化珪素系材料等が提案されている。しかし、これらの材料では、金属を原料とするためにヒートシンク材の熱膨張係数が小さく、使用状況においては、使用が制限されることがある。また炭素繊維を一方向に配列した高熱伝導炭素繊維複合材料が提案されているが、熱膨張係数が１．０×１０-6／℃と小さく、同様の問題を起こすことがあった。
【０００３】
一方、本発明者等は、熱膨張係数が比較的低く、熱伝導率が少なくとも３００Ｗ／ｍＫである熱伝導度の高い材料として、炭素繊維と銅、アルミニウム、銀、および金からなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属とからなり、熱伝導度が少なくとも３００Ｗ／ｍＫである熱伝導体を先に提案して、平成１１年２月２５日に特願平１１−４９０５０号として出願しているが、熱膨張係数を制御することが難しく、このものの場合には、冷却−加熱の変温サイクルを繰り返している内に、使用分野によっては、問題を生じるケースがあることが判明している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、炭素繊維のみを主原料として、切断面方向または底部の平行な面方向の熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以上〜８．０×１０-6／℃以下の範囲にあり、冷却−加熱の変温サイクルを繰り返しても、材料間の剥離現象を起こさず、また、熱伝導度が少なくとも２００Ｗ／ｍＫである複合材料を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の様な現状に鑑みて種々検討した結果、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面とが形成する角度が４０°〜５０°となるように焼成体を切り出し、加工するかまたは、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部とが形成する角度が４０°〜５０°となるよう引き揃えることにより得られる実質的に炭素繊維と炭素粉末からなる炭素繊維複合材料が上記目的を達成できることを見出いだして、本発明を完成させたものである。即ち、炭素繊維と炭素粉末からなる炭素繊維複合材料であって、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面とが形成する角度が４０°〜５０°であり、熱伝導率が少なくとも２００Ｗ／ｍＫであり、切断面方向または底部の平行な面方向の熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以上〜８．０×１０-6／℃以下の範囲にあることを特徴とする高熱伝導性炭素繊維複合材料が提供される。
【０００６】
更に、また、長炭素繊維を各繊維の長手方向が相互に平行となるように、成形槽中に引き揃えながら積層し、このものを約６００℃以下の温度に加温しながら、所定の圧力を加えてバインダーを繊維と繊維間の間隙に含浸させ、成形し、次いで得られた成形体を不活性雰囲気下で、約２０００〜３０００℃の温度で焼成し、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面とが形成する角度が４０°〜５０°となるように、焼成体を切り出し加工するかまたは、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部とが形成する角度が４０°〜５０°となるよう引き揃えることよりなる、上記高熱伝導性炭素繊維複合材料の製造方法が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る高熱伝導性炭素繊維複合材料は、繊維の長手方向を各炭素繊維が相互に平行となるように一定方向に引き揃え、積層し、これにバインダー、所望により加えてもよい炭素粉末を添加し、加温下で、加圧成形された炭素繊維複合材料を焼成し、得られた焼成体である炭素繊維複合材料を、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面とが形成する角度が４０°〜５０°となるように切り出し、加工するかまたは、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部とが形成する角度が４０°〜５０°となるよう引き揃えることにより得られる実質的に炭素繊維と炭素粉末からなる炭素繊維複合材料からなる。
【０００８】
本発明に係る高熱伝導性炭素繊維複合材料を製造するに際しては例えば図１に模式的に示した所定の形状をし、加圧手段を有する成形槽内に、図１に示したように長繊維炭素繊維を各繊維が相互に平行となるように一定方向に引き揃え積層し、積層した後、バインダーを添加し、温度をかけながらこれを加圧手段、例えば、図１に示したようなボルトなどの加圧手段により、あるいはホットプレス装置により、圧縮成形し、成形体を得、この成形体を不活性雰囲気下で、約２０００〜３０００℃の温度で焼成し、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面とが形成する角度が４０°〜５０°となるように、焼成体を切り出し加工するかまたは、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部とが形成する角度が４０°〜５０°となるよう引き揃えることにより製造すればよい。
【０００９】
使用する長繊維炭素繊維としては、一定以上の長さがあれば、その種類は問わないが、通常はピッチ系の長繊維炭素繊維が好適である。なお、炭素繊維の表面に、遊離炭素が存在していると、引き揃え時に遊離炭素が、離脱するなどして、均一に引き揃えができないこともあるので、この段階では、炭素繊維の表面には、なるべく遊離炭素が付着していないことが好ましい。繊維の太さや長さは、最終製品の要求規格を考慮して選択すればよいが、通常は、太さが直径０．０１ｍｍ〜０．００５ｍｍ程度であり、長さは、１ｍ〜１．５ｍ程度のものが好適である。なお、引き揃え時には、炭素繊維の引き揃え方向に、炭素繊維が引きちぎれない程度に引っ張り強度をかけながら、引き揃え、その状態で、バインダー浴に漬け、余剰のバインダーを取り除いた後、バインダーの硬化温度、例えば、２００℃以上に加熱し、バインダーを硬化させて、成形品を得た後、引っ張り強度を解除してもよい。
【００１０】
即ち、一定方向に長繊維炭素繊維を引き揃えた後、所望とする強さの圧力をかけた状態で、液状のバインダーを含むバインダー浴に成形槽ごと浸漬し、繊維と繊維との間の間隙に充分バインダーが浸透するようにする。浸透を充分に行うためには、場合によっては、バインダー浴に加圧して、浸透を促進してもよい。バインダーとしては、石油系のバインダーが好適に使用される。場合によっては、適当な有機溶媒にバインダーを溶解させ、粘度を低くして、浸透を促進しやすくしてもよい。バインダーの浸漬量は、繊維と繊維間の空隙量によっても異なるが、通常は、空隙量は、３０容量％〜５０容量％であるので、その少なくとも８５％以上、好ましくは、９０％以上がバインダーで占められるようにすることが好ましい。
【００１１】
かくして、バインダーを浸透させた後、バインダーを硬化させて得られる、繊維の方向がすべて同一方向に引き揃えられた成形品は、繊維の方向が一方向であることから、通常は、ＵＤ材と称される。勿論、成形品を焼成し、焼成体としたものも、繊維の引き揃え方向は、一方向であることには変わりはないので、これもＵＤ材と称されることもある。焼成は、バインダーが完全に炭化するに十分な条件で行えばよい。即ち、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性雰囲気下で、約２０００〜３０００℃の温度で焼成する。かくして得られた焼成体を炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する角度が４０°〜５０°となるように、切り出し加工するかまたは、繊維の引き揃え時に、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部とが形成する角度が４０°〜５０°となるよう引き揃えることにより、目的とする、炭素繊維と炭素粉末からなる炭素繊維複合材料であって、熱伝導率が少なくとも２００Ｗ／ｍＫであり、切断面方向または底部の平行な面方向の熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以上〜８．０×１０-6／℃以下の範囲にあることを特徴とする高熱伝導性炭素繊維複合材料が製造することができる。
【００１２】
本発明に係る熱伝導体は、炭素繊維で基本骨格が構成されているので、熱膨張係数の変動が少なく、その切断面方向または底部の平行な面方向の熱膨張係数は、銅タングステン合金、銅モリブデン合金等とほぼ同じ、４×１０-6／℃以上〜８×１０-6／℃以下の範囲とすることができる。切断面方向または底部の平行な面方向の熱膨張係数を上記の範囲内に制御するには、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面とが形成する角度が４０°〜５０°の範囲内にすればよい。炭素繊維引き揃えのときに、成形用容器の底部が水平面に対して、４０°〜５０°の角度を持って形成されたものを使用してもよい。但し、この場合には両端部を焼成体の底部に対して垂直になるように切り出し加工する。底部が水平面に対して平行な容器を使用した場合には、成形、焼成した後の焼成体を炭素繊維の長手方向に対して４０°〜５０°の角度を形成する様に、切り出し加工して製造する。なお、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面とが形成する角度を４０°〜５０°の範囲内に加工できる方法であれば、上記の方法に何ら限定されるものではない。例えば、バインダー浴に浸漬したものを、風乾後、バインダーの硬化温度又はそれ以上で焼成して、バインダー硬化させて得られたものを上記のように切断し加工して、最後に焼成してもよい。炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面との関係を模式的に示したのが図２である。この場合には、（１１）で表される切り出し面は、炭素繊維の長手方向（１０）に対して、ほぼ、４５°となるように切り出したものである。
【００１３】
本発明に係る熱伝導体は、基本素材が炭素繊維から製造されており、かつ繊維の長手方向と底部と平行な面とが４０°〜５０°の角度となるように構成されているために、切断面方向または底部の平行な面方向の熱膨張係数が４×１０-6／℃以上〜８×１０-6／℃以下の範囲に制御されており、かつ、その昇温による変動も少なく、熱伝導率も２００Ｗ／ｍＫ以上と高いので、ヒートシンクやヒートパイプ用の材料として好適である。従って、著しい温度遍歴に曝される使用環境下において好適に使用される。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を実施例、比較例を以って説明するが、本発明は、これらの例により何ら限定されるものではないことは勿論である。
【００１５】
（実施例）
図１に模式的に示した所定の形状をし、加圧手段を有する成形槽内（２）に、直径約７μｍの長繊維炭素（４）を１２０００本束にしたものを成形槽の長手方向に平行に積層し、積層した炭素繊維を槽の蓋（１）の四隅に取り付けられているボルト（３）を締め、蓋（１）の突出部を容器本体内に押し込み、炭素繊維を圧縮成形した。このものを溶融された石油ピッチからなるバインダーを収納しているバインダー浴内に成形槽ごと浸漬し、外部から加圧して、成形槽本体に設けられたバインダー含浸用孔（５）から溶融したバインダーを炭素繊維と炭素繊維との間隙に含浸させ、成形槽をバインダー浴から引き上げ、ついで、そのままの状態で、バインダーの硬化温度を超える温度で加熱しバインダーを硬化させ、いわゆるＵＤ材を成形した。成形したＵＤ材を、成形槽から離型し、このものを不活性雰囲気下で、約２０００〜２５００℃の温度で焼成し、炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する角度が約４０°となるように、焼成体を切り出し加工し、本発明に係る炭素繊維複合材料を製造した。
【００１６】
得られた炭素繊維複合材料の熱伝導度と熱膨張係数を、それぞれ、アルゴン雰囲気下で、レーザーフラッシュ法により測定した。このものの熱伝導度と熱膨張係数は、それぞれ２００Ｗ／ｍＫ、５×１０-6／℃、であった。
【００１７】
（比較例）
実施例と同様の操作を繰り返していわゆるＵＤ材を形成した。このものを実施例１と同様に不活性雰囲気下で、焼成し、ＵＤ材からなる炭素繊維複合材料を製造した。
【００１８】
得られた炭素繊維複合材料の熱伝導度と熱膨張係数を、実施例と同様に、アルゴン雰囲気下で、レーザーフラッシュ法により測定した。このものの熱伝導度と熱膨張係数は、それぞれ３００Ｗ／ｍＫ、１×１０-6／℃であった。得られた炭素繊維複合材料は熱伝導度は大きいものの、熱膨張係数が低すぎ、ヒートシンク等として使用するには、問題があることが判明した。
【００１９】
【発明の効果】
本発明に係る高熱伝導性炭素繊維複合材料は、基本骨格が炭素繊維で構成されているために、金属、金属合金等と比較して、著しく、熱膨張係数が低いことに加え、同様の方法で製造された２Ｄ材からなる炭素繊維複合材料と比較しても、熱伝導度が少なくとも２００Ｗ／ｍＫと高く、ヒートシンク、ヒートパイプ等の製造用材料として使用可能である。加えて、異種材料同士からなる複合材料に比較して、熱遍歴による熱膨張率の差に起因する剥がれ等が起こらないという優れた性質を有する。また、本発明に係る炭素繊維複合材料の製造方法によれば、上記のごとき優れた性質を有する高熱伝導性炭素繊維複合材料が提供されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る炭素繊維複合材料を製造するために使用する装置であり、繊維の引き揃え状態を示すために、装置の一部を省略した模式図である。
【図２】  炭素繊維の長手方向と焼成体の底部を形成する面との関係を示す模式図である。
【符号の説明】
１…蓋、２…装置本体、３…ボルト、４…炭素繊維、５…バインダーの含浸用の孔、１０…炭素繊維の長手方向、１１…切り出し面。
【図１】
0004437580.tif 000002
【図２】
0004437580.tif 000003