(57)【要約】【課題】黒鉛シートに比して面方向と厚さ方向の熱伝導率の差が小さく、厚みの変化によっても電気比抵抗が略一定の新規な特性を有する高熱伝導異方性黒鉛材料およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料は、黒鉛シートを粉砕して粉砕粉を形成する粉砕粉形成工程と、前記粉砕粉を用いて成形品を成形する成形工程を有し、バインダーを必要としない為、焼成工程を省けることを特徴とする高熱伝導異方性黒鉛材料及びその製造方法である。これにより、黒鉛シートに比して面方向と厚さ方向の熱伝導率の差が小さく、厚みの変化によっても電気比抵抗が略一定の新規な特性を有する高熱伝導異方性黒鉛材料が提供される。【選択図】図１
2017132650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み方向の熱伝導率をａＷ／ｍＫ、面方向の熱伝導率をｂＷ／ｍＫとすると、１３≦ｂ／ａ≦５０であることを特徴とする高熱伝導異方性黒鉛材料。
【請求項２】
黒鉛シートを粉砕して粉砕粉を形成する粉砕粉形成工程と、前記粉砕粉を用いて成形品を成形する成形工程とを有することを特徴とする高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法。
【請求項３】
前記成形工程の後に前記成形物が焼成されていない請求項２に記載の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた熱伝導率を有する高熱伝導異方性黒鉛材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、優れた熱伝導率を有す材料としては、石炭ピッチ系モザイクコークスにバインダーを添加し混捏、再粉砕、成形、焼成、含浸、再焼成、黒鉛化を実施して製造されていた（例えば特開２００９−７８９６７号公報）。
【０００３】
他方、黒鉛をシート状に形成した黒鉛シートは、黒鉛が薄片状であるため、製造工程における圧延時に層状構造となり、面方向の熱伝導率が高くなる一方、厚さ方向の熱伝導率は相対的に著しく低くなる特性があった。また、黒鉛シートは厚みの変化により電気比抵抗が変化するものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７８９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明者は、上記のような性質を有する黒鉛シートを用いて異方性の高熱伝導黒鉛材料を製造することを想起したものであり、すなわち、本発明の課題は、黒鉛シートに比して面方向と厚さ方向の熱伝導率の差が小さく、厚みの変化によっても電気比抵抗が略一定の新規な特性を有する高熱伝導異方性黒鉛材料およびそ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】
【０００６】
上記課題を解決するものは、厚み方向の熱伝導率をａＷ／ｍＫ、面方向の熱伝導率をｂＷ／ｍＫとすると、１３≦ｂ／ａ≦５０であることを特徴とする高熱伝導異方性黒鉛材料である（請求項１）。
また、上記課題を解決するものは、黒鉛シートを粉砕して粉砕粉を形成する粉砕粉形成工程と、前記粉砕粉を用いて成形品を成形する成形工程とを有することを特徴とする高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法である（請求項２）。前記成形工程の後に前記成形物が焼成されていないことが好ましい（請求項３）。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載した高熱伝導異方性黒鉛材料によれば、従来の黒鉛シートに比して面方向と厚さ方向の熱伝導率の差が小さく、厚みの変化によっても電気比抵抗が略一定の新規な特性を有する高熱伝導異方性黒鉛材料となる。
請求項２に記載した高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法によれば、従来の黒鉛シートに比して面方向と厚さ方向の熱伝導率の差が小さく、厚みの変化によっても電気比抵抗が略一定の新規な特性を有する高熱伝導異方性黒鉛材料を作製できる。
請求項３に記載した高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法によれば、成形品が焼成されていないため、より熱伝導率が高い高熱伝導異方性黒鉛材料を作製できることに加え、焼成工程がないため、より短時間で低廉に高熱伝導異方性黒鉛材料を作製できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の一実施例の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明では、黒鉛シートを粉砕して粉砕粉を形成する粉砕粉形成工程と、粉砕粉にて成形品を成形する成形工程とを有することにより、黒鉛シートに比して面方向と厚さ方向の熱伝導率の差が小さく、厚みの変化によっても電気比抵抗が略一定の新規な特性を有する黒鉛シート粉砕成形品を作製できる高熱伝導異方性黒鉛材料およびその製造方法を実現した。
【００１０】
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法について説明する。
図１に示した高熱伝導異方性黒鉛材料１の製造方法は、黒鉛シートを粉砕して粉砕粉を形成する粉砕粉形成工程と、前記粉砕粉にて成形品を成形する成形工程とを有し、前記成形工程の後に前記成形物が焼成されていないことを特徴とする高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法である。以下、各工程について順次詳述する。
【００１１】
粉砕粉形成工程では、黒鉛シートを粉砕機にて粉砕し粉砕粉を形成する。
黒鉛シートは、酸処理した酸処理黒鉛原料に熱を加えて黒鉛結晶の層間を数百倍に膨張させた膨張黒鉛を形成し、この膨張黒鉛の黒鉛間に発生している分子間力を利用してロール圧延により分子間力で結合させたものである。この粉砕粉形成工程では、前記のように形成された黒鉛シートを粉砕して粉砕粉を形成する。
【００１２】
成形工程では、黒鉛シートの粉砕粉を、例えばメカニカルプレス（油圧プレス、フリクションプレス、振動プレス、CIP＝Cold Isostatic Press）にて加圧成形することにより成形品を成形する。図１に示した本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法にて作製した高熱伝導異方性黒鉛材料１は、長方体ブロック形状（板状体または平板）に成形されているが、これに限定されるものではなく、様々な用途に応じてどのような形態に成形されていてもよく、例えば、円筒形状、坩堝形状などに成形してもよい。
【００１３】
なお、この高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法では、成形工程の後に成形物が焼成されていない。これは、黒鉛シートを形成した膨張黒鉛の黒鉛間に発生している分子間力にて成形工程のみで高熱伝導異方性黒鉛材料が作製できるからである。従って、焼成を行う必要がないことから、成形工程においてバインダーとして樹脂もしくはタール及びピッチが添加される必要もない。このように、この実施例の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法にて作製された高熱伝導異方性黒鉛材料は、成形後の焼成がされていないことから、焼成によって熱伝導率が低下することもなく、より高い熱伝導率を有するものとなる。
【００１４】
（物性値測定）
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法にて作製した高熱伝導異方性黒鉛材料１の物性値（かさ比重、気孔率、曲げ強度、シェアー硬度、固有抵抗、熱伝導率）を測定し、以下の表１の結果を得た。
【００１５】
【表１】
2017132650.tif 000003
【００１６】
（考察１）熱伝導率について
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法で、成形工程をＣＩＰ成形で行い、バインダーの添加無し、焼成無しの高熱伝導異方性黒鉛材料１の熱伝導率は、面方向（図１のｂ方向）で２００Ｗ/ｍＫであった（表１の実施例１参照）。
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法で、成形工程を油圧成形で行い、バインダーの添加無し、焼成無しの高熱伝導異方性黒鉛材料の熱伝導率は、面方向（図１のｂ方向）で２５２Ｗ/ｍＫであった（表１の実施例２参照）。
他方、黒鉛方向性が等方性で、コークス、人造黒鉛などを使用原料とし、成形工程をＣＩＰ成形で行い、バインダーを添加し、焼成工程を行った市販品１の熱伝導率は８０Ｗ/ｍＫであった。
さらに、黒鉛方向性が等方性で、コークス、人造黒鉛などを使用原料とし、成形工程を押し出し成形で行い、バインダーを添加し、焼成工程を行った市販品２の熱伝導率は１２０Ｗ/ｍＫであった。
なお、熱伝導率の測定はレーザーフラッシュ法にて行い、得られた値からそれぞれの熱伝導率をそれぞれ算出した。
上記結果から、バインダーの添加無し、焼成無しの高熱伝導異方性黒鉛材料（実施例１または実施例２）の方が、バインダーを添加し焼成工程を行った市販品１または市販品２に比して、高い熱伝導率を示すことが確認された。
【００１７】
（考察２）強度について
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法で、成形工程をＣＩＰ成形で行い、バインダーの添加無し、焼成無しの高熱伝導異方性黒鉛材料の曲げ強度は１０Ｍｐａ、ショアー硬度は３３であった（表１の実施例１参照）。
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法で、成形工程を油圧成形で行い、バインダーの添加無し、焼成無しの高熱伝導異方性黒鉛材料の曲げ強度は１６Ｍｐａ、ショアー硬度は３４であった（表１の実施例２参照）。
他方、黒鉛方向性が等方性で、コークス、人造黒鉛などを使用原料とし、成形工程をＣＩＰ成形で行い、バインダーを添加し、焼成工程を行った市販品１の曲げ強度は４０Ｍｐａ、ショアー硬度は５０であった。
さらに、他方、黒鉛方向性が等方性で、コークス、人造黒鉛などを使用原料とし、成形工程を押し出し成形で行い、バインダーを添加し、焼成工程を行った市販品２の曲げ強度は２５Ｍｐａ、ショアー硬度は３７であった。
上記結果から、バインダーの添加無し、焼成無しの高熱伝導異方性黒鉛材料の方（実施例１または実施例２）が、バインダーを添加し焼成工程を行った市販品１または２に比して、強度は低いが、本発明により、焼成工程を行わない場合でも十分な強度を有する高熱伝導異方性黒鉛材料を作製できることが確認された。
【００１８】
（試験１）
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法にて作製された高熱伝導異方性黒鉛材料と黒鉛シートとの熱伝導率の対比試験を行った。
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法にて作製された高熱伝導異方性黒鉛材料として、油圧成形にてブロック形状に成形し、バインダーの添加無し、焼成工程無しで厚みが３．９，５．６，１８．８，２０．８ｍｍの高熱伝導異方性黒鉛材料をそれぞれ作製した（表２参照）。
他方、比較例として、高熱拡散タイプの黒鉛シートで厚みが、０．０８、０．１２、０．２５ｍｍのもの、汎用タイプの黒鉛シートで厚みが、０．１２、０．３ｍｍのものを用いた。
なお、高熱拡散タイプの黒鉛シートは、ロール圧延でかさ比重を１．４〜１．８ｇ/ｃｍ3に調整された黒鉛シートであり、汎用タイプの黒鉛シートはロール圧延でかさ比重を１．０〜１．４ｇ/ｃｍ3に調整された黒鉛シートである。
また、熱伝導率の測定はレーザーフラッシュ法にて行い、得られた値から厚み方向の熱伝導率ａと、面方向の熱伝導率ｂ（図１参照）をそれぞれ算出し、以下の表２の結果を得た。
【００１９】
【表２】
2017132650.tif 000004
【００２０】
上記表２から、本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法にて作製された本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料のｂ/ａは１３〜５０であるのに対して、比較例のｂ/ａは１５４〜４１８の値を示した。
これらの結果より、本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法にて作製された高熱伝導異方性黒鉛材料は、黒鉛シート（他の異方性黒鉛材料）に比して面方向と厚さ方向の熱伝導率の差が著しく小さいことが確認された。
【００２１】
このように、本発明の製造方法にて作製された高熱伝導異方性黒鉛材料は、従来の異方性黒鉛材料である黒鉛シートに比して厚さ方向の熱伝導率が高く、厚さ方向への熱拡散性が高いものである。
携帯電話やノートパソコンの小型化に伴い、熱対策及び電磁波対策が非常に重要になってきているところ、現在は設計技術や電子部品の低電力化技術により抑えられているが、今後も小型化及び高性能化を進むにあたり、面方向だけでなく厚み方向にも熱伝導率が高い材料が求められると考えられる。
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料は色々な形状や厚みに成形できることから、現在の熱対策及び電磁波対策品より優れた代替品として、例えばヒートシンク（放熱板）、ヒートスプレッダ（緩衝板）として好適に使用できるものと考えられる。
【００２２】
（試験２）
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法にて作製された高熱伝導異方性黒鉛材料と黒鉛シートとの電気比抵抗の対比試験を行った。
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法にて作製された高熱伝導異方性黒鉛材料として、厚みが３．９、５．６、２０．８１ｍｍのものを作製した。他方、比較例として、高熱拡散タイプの黒鉛シートで、厚みが０．０８、０．１２、０．２５ｍｍのもの、汎用タイプの黒鉛シートで、厚みが０．１２、０．３ｍｍのものを用いた。
各実施例および各比較例に対して、それぞれ室温にて四端子法を行い、電気比抵抗として以下の表３の試験結果を得た。
【００２３】
【表３】
2017132650.tif 000005
【００２４】
上記表３から、比較例のものは、厚みが増加するにつれて電気比抵抗も増加するのに対して、実施例２のものは、厚みが増加しても電気比抵抗も略一定であることが確認された。
【００２５】
上記試験（１）および（２）より、本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法によれば、黒鉛シートに比して面方向と厚さ方向の熱伝導率の差が小さく、厚みの変化によっても電気比抵抗が略一定の新規な特性を有する高熱伝導異方性黒鉛材料を作製できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の製造方法にて作製された高熱伝導異方性黒鉛材料が、厚みが増加しても電気比抵抗も略一定となる原因は明確ではないが、黒鉛シートが薄片の層状体であるため厚みが増加すると電気比抵抗も増加するのに対して、本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料は薄片が粉砕されているため電気比抵抗が略一定となるものと推測される。厚さにより電気比抵抗が増加する黒鉛シートに比して、厚みが増加しても電気比抵抗は略一定の本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の方が一般的には有用であり、また、面方向と厚さ方向の熱伝導率の差が小さい本発明の高熱伝導異方性黒鉛材料の方が、それが大きい黒鉛シートより一般的には有用であり、例えば従来の黒鉛シートの代替品等として、伝熱材、電池部品の他、携帯電話、ノートパソコン、レーザー機器、車載機器などのヒートシンク（放熱板）、ヒートスプレッダ（緩衝板）等として好適に使用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１    高熱伝導異方性黒鉛材料
【図１】
2017132650.tif 000006