(57)【要約】炭素複合材は、バインダーと、炭素微細構造間に格子間空間及び炭素微細構造内に空孔を有する炭素微細構造とを含み、該バインダーは炭素微細構造間の格子間空間及び炭素微細構造内の空孔に配されている。あるいは、炭素複合材は、炭素微細構造と、炭素微細構造間の格子間空間に配されているバインダーとを含み、該炭素微細構造は、炭素微細構造の総容積を基準として、約１５容積％未満の空孔を炭素微細構造内に含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダーと、炭素微細構造（１）間に格子間空間及び炭素微細構造（１）内に空孔を有する炭素微細構造（１）とを含み、前記バインダーが、炭素微細構造（１）間の格子間空間及び炭素微細構造（１）内の空孔に配されている、炭素複合材。
【請求項２】
前記炭素微細構造（１）間の前記格子間空間が、約０．１マイクロメートル〜約１００マイクロメートルのサイズを有し、かつ前記炭素微細構造（１）内の前記空孔が、約２０ナノメートル〜約１マイクロメートルのサイズを有する、請求項１に記載の炭素複合材。
【請求項３】
炭素微細構造（１）と、炭素微細構造（１）間の格子間空間に配されたバインダーとを含み、前記炭素微細構造（１）が、炭素微細構造（１）の総容積を基準として、約１５容積％未満の空孔を炭素微細構造（１）内に含む、炭素複合材。
【請求項４】
前記炭素微細構造（１）が、前記炭素微細構造（１）内に約５重量％未満の前記バインダーを含む、請求項３に記載の炭素組成物。
【請求項５】
前記バインダーが、１つ以上の金属または金属の合金を含み、かつ前記金属が、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、タングステン、クロム、鉄、マンガン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオビウム、モリブデン、スズ、ビスマス、アンチモン、鉛、カドミウムまたはセレニウムのうちの１つ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素複合材。
【請求項６】
前記炭素微細構造（１）が、膨張黒鉛、膨張性黒鉛、天然黒鉛または人造黒鉛のうちの１つ以上の微細構造を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素複合材。
【請求項７】
前記炭素複合材が、少なくとも２つの炭素微細構造（１）と、少なくとも２つの炭素微細構造（１）の間に配された結合相とを含み、かつ前記結合相がバインダーを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の炭素複合材。
【請求項８】
前記結合相が、バインダー層と、少なくとも２つの炭素微細構造（１）のうちの１つをバインダー層と結合する界面層とを含み、かつ前記界面層が、Ｃ−金属結合、Ｃ−Ｏ−金属結合、または金属炭素溶融物のうちの１つ以上を含む、請求項７に記載の炭素複合材。
【請求項９】
前記複合材が、棒状、ブロック、シート、管状、円筒ビレット、環状体、粉末、またはペレットの形態である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の炭素複合材。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の炭素複合材を含むシートであって、前記シートは厚さ約１０μｍ〜約１０ｃｍを有する、前記シート。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の組成物を含む物品。
【請求項１２】
前記物品が、放熱素子または熱交換素子である、請求項１１に記載の物品。
【請求項１３】
前記物品が、放熱器、冷却システム、熱放射部品または熱交換器である、請求項１１に記載の物品。
【請求項１４】
炭素複合材の製造方法であって、前記方法が、炭素微細構造（１）内の格子間空間及び炭素微細構造（１）間の空孔にバインダーを付着させ、充填組成物を得ることと、約３５０℃〜約１４００℃の温度及び約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉの圧力で充填組成物を圧縮し、炭素複合材を形成することとを含む、前記方法。
【請求項１５】
前記付着が、物理蒸着、化学蒸着、分子層蒸着、レーザー蒸着、またはプラズマ支援型蒸着を含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年１２月８日に出願された米国仮出願第１４／５６２，９４２号の利益を主張するものであり、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
黒鉛は炭素の同素体で、層状の平面構造を有する。各層では、共有結合によって炭素原子が六角形配列または網状に配置される。しかしながら、それぞれの炭素層同士は弱いファンデルワールス力によってのみ結合が維持される。
【０００３】
黒鉛は、その優れた熱伝導性及び導電性、軽量性、低摩擦性、ならびに高耐熱性及び高耐食性により、電子部品、原子力、溶銑処理、コーティング、航空宇宙産業等を含む多様な用途に使用されている。例えば、黒鉛は、金属（例えばＡｌ、Ｃｕ等）に代わる、熱交換材または放熱材の選択肢として提案されている。しかしながら、黒鉛は脆性で、耐衝撃性が低く、過酷で劣悪な環境での実用的な応用には極めて限界がある。加えて、黒鉛は炭素層に対して平行方向には高熱伝導性を有するが、炭素層に対して垂直方向沿いの熱伝導性は非常に低い。この異方性熱伝導性は、黒鉛の熱伝導特性または放熱特性の全体効率に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、機械的強度が改善され、かつ耐熱性が強化された新規の黒鉛材料は、必ず産業界から受け入れられるものである。このような材料は高温耐食性も改善されている場合、更に利点となる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態では、バインダーと、炭素微細構造間に格子間空間及び炭素微細構造内に空孔を有する炭素微細構造とを含み、該バインダーが、炭素微細構造間の格子間空間及び炭素微細構造内の空孔に配されている炭素複合材によって、先行技術における上記の及びその他の欠点を克服する。
【０００５】
別の実施形態では、炭素複合材は、炭素微細構造と、炭素微細構造間の格子間空間に配されているバインダーとを含み、該炭素微細構造は、炭素微細構造の総容積を基準として、約１５容積％未満の空孔を炭素微細構造内に含む。
【０００６】
炭素複合材の製造方法には、炭素微細構造内の格子間空間及び炭素微細構造間の空孔にバインダーを付着させ、充填組成物を得ることと、約３５０℃〜約１４００℃の温度及び約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉの圧力で充填組成物を圧縮し、炭素複合材を形成することとを含む。
【０００７】
以下の説明は、いかなる方法であれ限定と見なされるべきではない。添付図面に関して、同様の要素は同様の数字で示す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】天然黒鉛の構造を示す。
【図２】膨張黒鉛の微細構造を示す。
【図３】本開示の一実施形態による炭素複合材の微細構造を示す。
【図４（Ａ）】本開示の一実施形態による管状の放熱器を示す。
【図４（Ｂ）】図４（Ａ）の放熱器の一部拡大断面図を示す。
【図５（Ａ）】本開示の別の実施形態による他の放熱器を示す。
【図５（Ｂ）】図５（Ａ）の放熱器の一部拡大断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明者らは、高熱伝導性及び強化された機械的強度を有する炭素複合材が黒鉛と無機バインダーから形成できることを見出した。従来の黒鉛材料と比較して、本炭素複合材は、炭素層に対して平行方向及び炭素層に対して垂直方向の両方の熱伝導性を改善している。加えて、本炭素複合材は構造強度及び耐久性が著しく増加している。更なる有益な特徴として、本炭素複合材は黒鉛の種々の優れた特性、例えば軽量性、低熱膨張係数、優れた熱衝撃、高い化学耐性及び耐熱性、潤滑性等を維持している。
【００１０】
理論に束縛されるものではないが、熱伝導性及び機械的強度の改善は、炭素微細構造内ならびに炭素微細構造間に配されている無機バインダーによって付与されると考えられる。
【００１１】
黒鉛構造を考察する際、２つの軸または方向を通常、「ｃ」軸または「ｃ」方向、及び「ａ」軸または「ａ」方向と記載する。「ｃ」軸または「ｃ」方向は、炭素層（別称「ａ−ｂ面」）に対して垂直な方向と見なすことができる。「ａ」軸または「ａ」方向は、炭素層と平行な方向、つまり「ｃ」方向に対して垂直な方向と見なすことができる。黒鉛の炭素層は、互いに対して高度に整列または配向し得る。この高度な配向性のため、黒鉛は異方性熱特性を呈することができる。天然黒鉛の構造を図１に示している。
【００１２】
膨張黒鉛の微細構造を図２に示している。膨張黒鉛は、互いが実質的に平行である炭素微細構造１を含むことができる。炭素微細構造間に格子間空間があるため、熱は「ａ」方向沿いに完全に移動することができない。図２に示すように、経路３は、格子間空孔が隣接した炭素微細構造間に存在するため利用できない。この状況下で、熱は経路１及び２沿いに伝導される。経路１沿いの熱伝導性は高いが、経路２沿いの熱伝導性は低い。したがって、膨張黒鉛の全体的な熱伝導性は、望ましいものとはなり得ない。
【００１３】
本開示による炭素複合材の微細構造を図３に示している。図３に示すように、導電性バインダーが炭素微細構造間の格子間空間に充填されている。その結果、熱は何ら中断されることなく「ａ」方向沿いに直に移動でき、したがって「ａ」方向の黒鉛の熱伝導性は向上する。同時に、炭素微細構造内の空孔に導電性バインダーを充填することもできる。これにより、「ｃ」方向沿いの熱伝導性もまた改善することができる。
【００１４】
本炭素複合材は、機械的強度を改善している。炭素微細構造間には結合力が存在しないか、弱いファンデルワールス力のみが存在する。したがって、黒鉛バルク材は機械的強度が弱い。マイクロサイズまたはナノサイズのバインダーは、高温で液化及び／または軟化することにより、炭素微細構造間に均一に分散される。冷却時にバインダーは凝固し、機械的固着（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ）により炭素微細構造をともに結合する結合相を形成する。この方法により、炭素複合材の機械的性質を大幅に向上させることができる。
【００１５】
炭素複合材は炭素及びバインダーを含む。一実施形態では、炭素複合材は、炭素微細構造間に格子間空間及び炭素微細構造内に空孔を有する炭素微細構造を含み、炭素微細構造間の格子間空間及び炭素微細構造内の空孔にバインダーが配されている。別の実施形態では、炭素微細構造はバインダーで充填されているか、充填されていないかを問わず、炭素微細構造内に空孔を実質的に含まない。この例では、バインダーは、炭素微細構造間の格子間空間に配されている。
【００１６】
炭素は、黒鉛であり得る。本明細書で使用される場合、黒鉛は、１つ以上の天然黒鉛、人造黒鉛、膨張性黒鉛、膨張黒鉛を含む。天然黒鉛は、自然界によって形成される黒鉛である。天然黒鉛は、「鱗片状」黒鉛、「鱗状」黒鉛及び「アモルファス」黒鉛に分類することができる。人造黒鉛は、炭素材から製造される加工製品である。熱分解黒鉛は、人造黒鉛の一形態である。膨張性黒鉛とは、天然黒鉛または人造黒鉛の層間に侵入するインターカラント（ｉｎｔｅｒｃａｌｌａｎｔ）材料を有する黒鉛を指す。多種多様な化学物質が黒鉛材料への侵入に使用されている。これには、酸、酸化剤、ハロゲン化物等が挙げられる。例示的なインターカラント材料としては、硫酸、硝酸、クロム酸、ホウ酸、ＳＯ３またはハロゲン化物、例えばＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２及びＳｂＣｌ５が挙げられる。加熱によって、インターカラントは、液体または固体状態から気相へと変換される。気体の形成により、隣接する炭素層を押し広げる圧力が生じ、その結果、膨張黒鉛が生じる。膨張黒鉛の粒子は、外観が蠕虫状であることから、一般にウォームと呼ばれる。
【００１７】
本炭素複合材は膨張黒鉛を含んでいる点で有利である。他の形態の黒鉛と比較して、膨張黒鉛は高柔軟性、高圧縮回復性及び高異方性を有する。よって、膨張黒鉛とバインダーから形成された複合材は、望ましい機械的強度に加えて優れた熱伝導性を有することができる。
【００１８】
炭素微細構造は、黒鉛を高度に凝縮された状態に圧縮した後に形成される黒鉛の微小構造である。これは、圧縮方向沿いにともに積層された黒鉛基底面を構成する。本明細書で使用される場合、炭素基底面は、実質的に平坦かつ平行なシート状または層状の炭素原子を指し、各シートまたは層は単一の原子厚さを有する。黒鉛基底面は炭素層とも称する。炭素微細構造は一般に、平坦で薄い。これは異なる形状を有することもあれば、微細鱗片状、微細板状等と呼ばれることもある。一実施形態では、炭素微細構造は互いに実質的に平行である。
【００１９】
一実施形態では、炭素複合材には、２種類の空孔、すなわち、炭素微細構造間の空孔または格子間空間、及び各個々の炭素微細構造内の空孔がある。炭素微細構造間の格子間空間は、約０．１〜約１００マイクロメートル、特に約１〜約２０マイクロメートルのサイズを有するのに対して、炭素微細構造内の空孔はそれよりもはるかに小さく、一般に約２０ナノメートル〜約１マイクロメートル、特に約２００ナノメートル〜約１マイクロメートルである。空孔または格子間空間の形状は特に限定されない。本明細書で使用される場合、空孔または格子間空間のサイズは、空孔または格子間空間の最大寸法を指し、これは高分解能電子顕微鏡技術または原子間力顕微鏡技術によって測定することができる。
【００２０】
炭素微細構造間の格子間空間は、マイクロサイズまたはナノサイズのバインダーで充填される。例えば、バインダーは、炭素微細構造間の格子間空間の約１０％〜約９０％、約２０％〜約９０％、約４０％〜約９０％、約５０％〜約９０％または約６０％〜９０％を占めることができる。別の実施形態では、熱伝導性を改善するため、炭素微細構造内の空孔にバインダーを充填する。例えば、バインダーは、炭素微細構造内の格子間空間の間隙の約１０％〜約９０％、約２０％〜約９０％、約４０％〜約９０％、または約６０％〜９０％を占めることができる。炭素微細構造内の空孔の充填方法としては、蒸着が挙げられる。
【００２１】
別の実施形態では、炭素微細構造はバインダーで充填されているか、充填されていないかを問わず、炭素微細構造内に空孔を実質的に含まない。本明細書で使用される場合、「実質的に含まない」とは、炭素微細構造が炭素微細構造の総容積を基準として、約１５容積％未満、約１０容積％未満、約５容積％未満、約２容積％未満の空孔を炭素微細構造内に含むことを意味する。例えば、炭素複合材中の炭素微細構造は、炭素微細構造内に約５重量％未満、約２重量％未満または約１重量％未満のバインダーを含む。炭素微細構造の外側表面に付着するバインダーは、炭素微細構造内のバインダーとは見なされないものと理解する。
【００２２】
炭素微細構造は、約１〜約２００マイクロメートル、約１〜約１５０マイクロメートル、約１〜約１００マイクロメートル、約１〜約５０マイクロメートルまたは約１０〜約２０マイクロメートルの厚さを有する。炭素微細構造の直径または最大寸法は、約５〜約５００マイクロメートルまたは約１０〜約５００マイクロメートルである。炭素微細構造のアスペクト比は、約１０〜約５００、約２０〜約４００または約２５〜約３５０であり得る。一実施形態では、炭素微細構造の炭素層間の距離は、約０．３ナノメートル〜約１マイクロメートルである。炭素微細構造は、約０．５〜約３ｇ／ｃｍ３または約０．１〜約２ｇ／ｃｍ３の密度を有し得る。
【００２３】
炭素複合材では、炭素微細構造は結合相によって結合される。結合相は、機械的固着により炭素微細構造を結合するバインダーを含む。場合により、バインダーと炭素微細構造との間に界面層が形成される。界面層は、化学結合、固溶体またはそれらの組み合わせを含み得る。界面層が存在する場合、化学結合、固溶体またはそれらの組み合わせにより、炭素微細構造の固着を強化することができる。炭素微細構造は、機械的固着と化学結合の両方によって結合できると考えられる。例えば、化学結合、固溶体またはそれらの組み合わせは、いくつかの炭素微細構造とバインダーとの間に形成される場合もあれば、特定の炭素微細構造において炭素微細構造表面の炭素部分とバインダーとの間のみに形成される場合もある。化学結合、固溶体またはそれらの組み合わせを形成しない炭素微細構造または炭素微細構造部分では、機械的固着によって炭素微細構造を結合することができる。結合相の厚さは、約０．１〜約１００マイクロメートルまたは約１〜約２０マイクロメートルである。結合相は、炭素微細構造を結びつける連続または不連続の網目構造を形成することができる。
【００２４】
例示的なバインダーとしては、前述の少なくとも１つを含む金属、合金または組み合わせが挙げられる。金属は、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、タングステン、クロム、鉄、マンガン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオビウム、モリブデン、スズ、ビスマス、アンチモン、鉛、カドミウムまたはセレニウムのうちの少なくとも１つであり得る。合金には、アルミニウム合金、銅合金、チタン合金、ニッケル合金、タングステン合金、クロム合金、鉄合金、マンガン合金、ジルコニウム合金、ハフニウム合金、バナジウム合金、ニオビウム合金、モリブデン合金、スズ合金、ビスマス合金、アンチモン合金、鉛合金、カドミウム合金またはセレニウム合金のうちの１つ以上が含まれる。一実施形態では、バインダーは、銅、ニッケル、クロム、鉄、チタン、銅の合金、ニッケルの合金、クロムの合金、鉄の合金、またはチタンの合金のうちの１つ以上を含む。例示的な合金としては、Ｉｎｃｏｎｅｌ＊等のニッケル−クロム系合金鋼、及びＭｏｎｅｌ合金等のニッケル−銅系合金が挙げられる。ニッケル−クロム系合金は、約４０−７５％のＮｉと約１０−３５％のＣｒを含有し得る。ニッケル−クロム系合金はまた、約１〜約１５％の鉄を含有し得る。少量のＭｏ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、または前述の少なくとも１つを含む組み合わせを、ニッケル−クロム系合金に加えることもできる。ニッケル銅系合金は、主にニッケル（最大約６７％）と銅で構成される。ニッケル銅系合金はまた、少量の鉄、マンガン、炭素及びケイ素を含有することもできる。これらの材料は、種々の形状、例えば粒子状、繊維状及びワイヤ状であり得る。材料は組み合わせて使用することができる。
【００２５】
炭素複合材の製造に使用されるバインダーは、マイクロサイズまたはナノサイズであり得る。一実施形態では、バインダーは、約０．０５〜約２５０マイクロメートル、約０．０５〜約５０マイクロメートル、約１マイクロメートル〜約４０マイクロメートル、約０．５〜約５マイクロメートルまたは約０．１〜約３マイクロメートルの平均粒径を有する。理論に束縛されるものではないが、バインダーがこの範囲内のサイズを有するとき、炭素微細構造間に均一に分散すると考えられる。
【００２６】
界面層が存在する場合、結合相は、バインダーを含むバインダー層と、少なくとも２つの炭素微細構造のうちの１つをバインダー層と結合する界面層とを含む。一実施形態では、結合相は、バインダー層、炭素微細構造のうちの一方をバインダー層と結合する第１の界面層、及び微細構造の他方をバインダー層と結合する第２の界面層を含む。第１の界面層及び第２の界面層は、同一の、または異なる組成物を有することができる。
【００２７】
界面層は、Ｃ−金属結合、Ｃ−Ｏ−金属結合、または金属炭素溶融物のうちの１つ以上を含む。結合は、炭素微細構造表面の炭素とバインダーから形成される。
【００２８】
一実施形態では、界面層はバインダーの炭化物を含む。炭化物には、アルミニウム炭化物、チタン炭化物、ニッケル炭化物、タングステン炭化物、クロム炭化物、鉄炭化物、マンガン炭化物、ジルコニウム炭化物、ハフニウム炭化物、バナジウム炭化物、ニオビウム炭化物、モリブデン炭化物のうちの１つ以上を含む。これらの炭化物は、対応する金属または金属合金バインダーが炭素微細構造の炭素原子と反応することによって形成される。バインダー材料の組み合わせを使用している場合、界面層はこれらの炭化物の組み合わせを含み得る。炭化物は、塩類似炭化物（例えば炭化アルミニウム）、共有結合性炭化物、侵入型炭化物（例えば第４、５及び６群遷移金属の炭化物）または中間遷移金属炭化物（例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの炭化物）であり得る。
【００２９】
別の実施形態では、界面層は、黒鉛等の炭素とバインダーとの固溶体を含む。炭素は、ある特定の金属マトリックス中、またはある特定の温度領域で溶解性を有し、これにより炭素微細構造上で金属相の湿潤及び結合の両方を促進できる。熱処理によって、金属中の炭素の高溶解性を低温で維持することができる。これらの金属には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｍｎ、ＮｉまたはＣｕのうちの１つ以上を含む。バインダー層は、固溶体と炭化物の組み合わせも含み得る。
【００３０】
炭素複合材は、炭素複合材の総重量を基準として、約２０〜約９５重量％、約２０〜約８０重量％または約５０〜約８０重量％の炭素を含む。バインダーは、炭素複合材の総重量を基準として、約５重量％〜約７５重量％または約２０重量％〜約５０重量％の量で存在する。炭素複合材において、バインダーに対する炭素の重量比は、約１：４〜約２０：１、または約１：４〜約４：１、または約１：１〜約４：１である。
【００３１】
炭素複合材は、充填剤を含む場合がある。例示的な充填剤としては、カーボンブラック、雲母、粘土、ガラス繊維、セラミック繊維及びセラミック中空構造が挙げられる。セラミック材料としては、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＢＮ等が挙げられる。充填剤は、約０．５〜約５０重量％、約０．５〜約４０重量％、約１〜約４０重量％、または約０．５〜約１０重量％または約１〜約８重量％の量で存在し得る。
【００３２】
炭素複合材は、棒状、ブロック、シート、管状、円筒ビレット、環状体、粉末、ペレット、または機械加工して形成でき、そうでない場合は製造時に有用な物品の形成に使用できる、その他の形態を含む、いずれかの望ましい形状を有することができる。これらの形態のサイズまたは寸法は、特に限定されない。例示として、シートは、厚さ約１０μｍ〜約１０ｃｍ、及び幅約１０ｍｍ〜約２ｍを有する。粉末は、約１０μｍ〜約１ｃｍの平均サイズを有する粒子を含む。ペレットは、約１ｃｍ〜約５ｃｍの平均サイズを有する粒子を含む。
【００３３】
炭素複合材は、炭素微細構造間の格子間空間、及び炭素微細構造内の空孔にバインダーを付着させ、充填組成物を得ることと、その充填組成物を圧縮して加熱することによって形成することができる。炭素複合材はまた、バインダーと黒鉛を混合して、充填組成物を形成することと、形成された炭素複合材が、炭素微細構造内に空孔を実質的に含まない炭素微細構造を含むような程度に、充填組成物を圧縮して加熱することによって、調製することもできる。
【００３４】
「蒸着」方法とは、気相を通して基材に材料を付着させる方法を指す。蒸着方法としては、物理蒸着、化学蒸着、分子層蒸着、レーザー蒸着及びプラズマ支援型蒸着が挙げられる。バインダー前駆体の例としては、トリエチルアルミニウム及びニッケルカルボニルが挙げられる。物理蒸着、化学蒸着及びプラズマ支援型蒸着の種々の変形例を使用することができる。例示的な蒸着方法には、プラズマ支援型化学蒸着、スパッタリング、イオンビーム蒸着、レーザアブレーションまたは熱蒸着を含み得る。蒸着過程で、バインダーは炭素微細構造内の空孔を少なくとも部分的に充填することができる。
【００３５】
一実施形態では、充填組成物を最初に常温圧縮により圧縮して圧粉体を得る。次に圧粉体を圧縮して加熱することにより、炭素複合材を形成する。別の実施形態では、充填組成物を室温で押圧して成形体を形成し、更にその成形体を大気圧下で加熱し、炭素複合材を形成する。あるいは、充填組成物を直接圧縮及び加熱し、炭素複合材を形成することができる。
【００３６】
充填組成物において、黒鉛等の炭素は、充填組成物の総重量を基準として、約２０重量％〜約９５の重量％、約２０重量％〜約８０重量％、または約５０重量％〜約８０重量％の量で存在する。バインダーは、充填組成物の総重量を基準として、約５重量％〜約７５重量％または約２０重量％〜約５０重量％の量で存在する。充填組成物中の黒鉛は、小片、粉末、小板、鱗片等の形態であり得る。一実施形態では、黒鉛は、約５０マイクロメートル〜約５，０００マイクロメートル、好ましくは約１００〜約３００マイクロメートルの直径を有する鱗片の形態である。黒鉛鱗片は、約１〜約５マイクロメートルの厚さを有し得る。充填組成物の密度は、約０．０１〜約０．０５ｇ／ｃｍ３、約０．０１〜約０．０４ｇ／ｃｍ３、約０．０１〜約０．０３ｇ／ｃｍ３または約０．０２６ｇ／ｃｍ３である。
【００３７】
本明細書で使用される場合、常温圧縮は、複合組成物が室温で、またはバインダーが著しく黒鉛に付着しない限りは高温で圧縮されることを意味する。一実施形態では、黒鉛の約８０重量％超、約８５重量％超、約９０重量％超、約９５重量％超または約９９重量％超が、圧粉体中で付着されていない。圧粉体を形成するための圧力は、約５００ｐｓｉ〜約１０ｋｓｉであり得、温度は約２０℃〜約２００℃であり得る。この段階の圧延比、すなわち、充填組成物の容積に対する圧粉体の容積は、約４０％〜約８０％である。圧粉体の密度は、約０．１〜約５ｇ／ｃｍ３、約０．５〜約３ｇ／ｃｍ３、または約０．５〜約２ｇ／ｃｍ３である。
【００３８】
圧粉体は、約３５０℃〜約１４００℃、特に約８００℃〜約１４００℃の温度で加熱して、炭素複合材を形成することができる。一実施形態では、温度は、バインダーの融点の約±２０℃〜約±１００℃、またはバインダーの融点の約±２０℃〜約±５０℃である。別の実施形態では、温度はバインダーの融点を上回り、例えば、バインダーの融点より約２０℃〜約１００℃高く、または約２０℃〜約５０℃高い。温度が高くなると、バインダーは低粘性（ｖｉｓｃｏｓｅ）になり、流動性がよくなり、そのため圧力をあまり必要とせずにバインダーを黒鉛と均一に混合することができる。しかしながら、温度があまりに高い場合、機器に害となる影響を及ぼす場合がある。
【００３９】
温度は、所定の温度スケジュールまたは傾斜率に従って適用することができる。加熱手段は特に限定されない。例示的な加熱方法としては、直流（ＤＣ）加熱、誘導加熱、マイクロ波加熱及び放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）が挙げられる。一実施形態では、加熱はＤＣ加熱によって実施される。例えば、複合組成物に電流を印加すると、電流が組成物全体に流れ、非常に急速に熱が発生する。場合により、不活性雰囲気下で、例えばアルゴンまたは窒素下で加熱を実施することもできる。一実施形態では、圧粉体は、空気の存在下で加熱される。
【００４０】
加熱は、約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉ、または約１０００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉの圧力で実施することができる。炭素微細構造を含有する形成済み炭素複合材が、内部空孔を実質的に含まない場合では、比較的高圧、例えば約６０００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉが使用される。圧力は、超大気圧または準大気圧であり得る。一実施形態では、物品を形成するための望ましい圧力は同時に適用されない。圧粉体を充填した後、最初は室温または低温で組成物に低圧を適用し、組成物中の大きな細孔を塞ぐ。そうでない場合、溶融されたバインダーが型の表面に流れる場合がある。いったん温度が所定の最高温度に到達すれば、物品の製造に必要な望ましい圧力を適用することができる。温度及び圧力は、約５分〜約１２０分間、所定の最高温度及び所定の最高圧力に維持することができる。一実施形態では、所定の最高温度は、バインダーの融点の約±２０℃〜約±１００℃、またはバインダーの融点の約±２０℃〜約±５０℃である。
【００４１】
この段階の圧延比、すなわち、圧粉体の容積に対する炭素複合材の容積は、約１０％〜約７０％または約２０〜約４０％である。炭素複合材の密度は、圧縮度を制御することによって変化させることができる。物品は、約０．５〜約１０ｇ／ｃｍ３、約１〜約８ｇ／ｃｍ３、約１〜約６ｇ／ｃｍ３、約２〜約５ｇ／ｃｍ３、約３〜約５ｇ／ｃｍ３または約２〜約４ｇ／ｃｍ３の密度を有することができる。
【００４２】
あるいは、充填組成物を最初は室温で、約５００ｐｓｉ〜３０，０００ｐｓｉの圧力で押圧して、成形体を形成することができ、この成形体を更に、約３５０℃〜約１４００℃、特に約８００℃〜約１４００℃の温度で加熱して、炭素複合材を製造することができる。一実施形態では、温度は、バインダーの融点の約±２０℃〜約±１００℃、またはバインダーの融点の約±２０℃〜約±５０℃である。別の実施形態では、温度はバインダーの融点よりも、約２０℃〜約１００℃高く、または約２０℃〜約５０℃高くてもよい。加熱は、不活性雰囲気の存在下または非存在下にて大気圧で実施することができる。
【００４３】
別の実施形態では、圧粉体を作製せずに、複合組成物から直接、炭素複合材を作製することができる。加圧と加熱は同時に実施することができる。好適な圧力及び温度は、圧粉体の加熱及び圧縮に関連して本明細書で述べたものと同様であり得る。
【００４４】
高温圧縮は、温度と圧力を同時に適用する方法である。高温圧縮を炭素複合材に使用することができる。炭素複合材は成形型内で製造することができる。得られた炭素複合材を更に、機械加工または成形して、棒状、ブロック、管状、円筒ビレットまたは環状体を形成することができる。機械加工としては、例えば、フライス盤、鋸、旋盤、ルーター、放電加工機等を使用した、切断、鋸引き、融除、切削、塗型、旋盤加工、穿孔等が挙げられる。あるいは、望ましい形状を有する成形型を選択することによって、炭素複合材を有用な形状に直接成形することができる。
【００４５】
熱間圧延によって、ウェブ、紙、細片、テープ、箔、マット等のシート状材料を製造することもできる。一実施形態では、熱間圧延によって製造された炭素複合材シートを更に加熱して、バインダーを炭素微細構造と効果的に結合させることができる。
【００４６】
押出成形によって炭素複合材ペレットを製造することができる。例えば、黒鉛と、マイクロサイズまたはナノサイズのバインダーの組み合わせを最初に容器に充填することができる。次に、この組み合わせをピストンによって押出機に押し込む。押出温度は、約３５０℃〜約１４００℃または約８００℃〜約１４００℃であり得る。一実施形態では、温度は、バインダーの融点の約±２０℃〜約±１００℃、またはバインダーの融点の±２０℃〜約±５０℃である。別の実施形態では、押出温度はバインダーの融点よりも高く、例えば、バインダーの融点より約２０〜約５０℃高い。一実施形態では、押出成形によりワイヤを得て、それを切断し、ペレットを形成することができる。別の実施形態では、ペレットは押出機から直接得られる。場合により、ペレットに後処理工程を施すことができる。例えば、バインダーの融解温度を上回る炉内でペレットを加熱することにより、押出成形時に炭素微細構造が結合されていない、または適切に結合されていない場合に、バインダーを炭素微細構造と結合させることができる。剪断力（切削力）によって、例えば固体片の炭素複合材を切削することにより、炭素複合材粉末を製造することができる。
【００４７】
炭素複合材は多数の有利な特性を有しており、多種多様な用途に使用される。特に有利な特徴として、炭素複合材を形成することによって、黒鉛等の炭素の機械的強度が大幅に改善される。
【００４８】
機械的強度の改善及び高熱伝導性に加えて、炭素複合材はまた、高温での優れた熱的安定性も有することもできる。炭素複合材は、−６５°Ｆ〜最大約１２００°Ｆ、具体的には最大約１１００°Ｆ、より具体的には約１０００°Ｆの動作温度範囲で高い耐熱性を有することができる。
【００４９】
炭素複合材はまた、高温で優れた化学耐性を有することもできる。一実施形態では、炭素複合材は、水、油、塩水及び酸に対して化学的耐性であり、良から優の耐性評価を有する。一実施形態では、炭素複合材は、塩基性条件及び酸性条件を含む湿式条件下で高温及び高圧、例えば、約６８°Ｆ〜約１２００°Ｆ、または約６８°Ｆ〜約１０００°Ｆ、または約６８°Ｆ〜約７５０°Ｆで連続して使用することができる。したがって、炭素複合材は、化学作用物質（例えば、水、塩水、炭化水素、ＨＣｌ等の酸、トルエン等の溶媒等）に晒されたとき、最大２００°Ｆの高温、及び高圧（大気圧超）でも、長期にわたり、膨潤及び性質劣化に耐える。
【００５０】
炭素複合材は中硬度から最硬度であり、ショアＡの約５０からショアＤスケールの約７５までの硬度（ｈａｒｎｅｓｓ）を有する。
【００５１】
炭素複合材は、限定されないが、電子部品、原子力、溶銑処理、コーティング、航空宇宙産業、自動車、石油及びガス、ならびに船舶を含む、多種多様な用途の物品の加工に有用である。したがって、一実施形態では炭素複合材は物品に含まれている。炭素複合材は、物品の全体または一部を形成するために使用することができる。
【００５２】
炭素複合材は高熱伝導性を有しており、放熱素子または熱変換素子の製造に使用することができる。放熱素子は通常、電子装置または構成部品、例えばコンピューター、ＣＰＵ及びパワートランジスタから発生する熱を迅速に放出するために使用される。熱交換素子は、ある媒体から別の媒体へ熱を移動させ、それを室内暖房、冷凍、空気調節発電所、化学プラント、石油化学プラント、石油精製所、天然ガス処理、下水処理等に使用する。例示的な放熱素子または熱交換素子としては、放熱器、冷却システム、熱放射部品（ｈｅａｔｉｎｇ  ｒａｄｉａｔｉｎｇ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）及び熱交換器が挙げられる。一実施形態では、放熱素子は、重量を抑えつつ冷却性を維持するラップトップコンピューター用の放熱器である。
【００５３】
この物品は、ダウンホール用の素子であってもよい。例示的な物品としては、ダウンホールモーター用の放熱器、及びダウンホール用電子機器のための放熱器が挙げられる。管状設計を有する例示的な放熱器を図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す。ダウンホール用電子機器のための例示的な放熱器を図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す。
【００５４】
本明細書に開示されるすべての範囲は端点を含み、端点は互いに独立して組み合わせ可能である。本明細書で使用される場合、接尾辞「（ｓ）（複数可）」は、単数形とそれを変化させた複数形の両方を含み、したがって少なくとも１つのその用語を含むことを意図する（例えば、ｃｏｌｏｒａｎｔ（ｓ）（着色剤（複数可））は少なくとも１つの着色剤を含む）。「ｏｒ（または）」は「ａｎｄ／ｏｒ（及び／または）」を意味する。「場合による」または「場合により」は、その後に記載されている事象または状況が、起こる可能性もあれば、起こらない可能性もあることを意味し、この記述には事象が起こる場合の事例と起こらない場合の事例が含まれることを意味する。本明細書で使用される場合、「組み合わせ」は、ブレンド、混合物、合金、反応生成物等を包含する。「それらの組み合わせ」は、「列挙された項目の１つ以上と、場合により列挙されていない同様の項目を含む組み合わせ」を意味する。参照文献はすべて、参照により本明細書に組み込まれる。
【００５５】
用語「ａ」及び「ａｎ」及び「ｔｈｅ」ならびに本発明を記述する文脈中の（特に以下の特許請求の範囲の文脈中の）類似の指示対象の使用は、別段の指定のない限り、または文脈上、明らかな矛盾がない限り、単数及び複数の両方に適用されると見なすものとする。更に、本明細書で用語「第１の」、「第２の」及びこれに類するものは、何らかの順序、量または重要性を表すものではなく、むしろある要素と別の要素を区別するために使用される点に更に留意すべきである。量に関連して使用される修飾語「ａｂｏｕｔ（約）」は、規定された値を包含するとともに、文脈によって規定された意味を有する（例えば、特定の量の測定に伴う誤差の程度を含む）。
【００５６】
代表的な実施形態を例示目的として記載したが、上記の記述は本明細書の範囲を限定するものとは見なされない。したがって、本明細書の趣旨及び範囲を逸脱しない範囲で、当業者は各種の改変例、適合例及び代替例を考案することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（Ａ）】
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【図４（Ｂ）】
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【図５（Ａ）】
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【図５（Ｂ）】
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【国際調査報告】
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