(57)【要約】銅および炭素を含む銅−炭素組成物であって、銅と炭素は単一相物質を形成し、物質が融点まで加熱されても、炭素が銅から相分離しない。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅と炭素からなる銅−炭素組成物であって、
前記銅および前記炭素は、単一相物質を形成し、
前記炭素は、前記物質が融点まで加熱されても前記銅から相分離しないことを特徴とする銅−炭素組成物。
【請求項２】
前記物質は、実質的に前記銅および前記炭素からなることを特徴とする請求項１に記載の銅−炭素組成物。
【請求項３】
前記炭素は、前記物質の少なくとも約０．０１重量％であることを特徴とする請求項１に記載の銅−炭素組成物。
【請求項４】
前記炭素は、前記物質の少なくとも約０．１重量％であることを特徴とする請求項１に記載の銅−炭素組成物。
【請求項５】
前記炭素は、前記物質の少なくとも約１重量％であることを特徴とする請求項１に記載の銅−炭素組成物。
【請求項６】
前記炭素は、前記物質の少なくとも約１０重量％であることを特徴とする請求項１に記載の銅−炭素組成物。
【請求項７】
前記炭素は、前記物質の少なくとも約３５重量％であることを特徴とする請求項１に記載の銅−炭素組成物。
【請求項８】
実質的に銅と炭素からなる銅−炭素組成物であって、
前記銅および前記炭素は、単一相物質を形成し、
前記炭素は、前記物質の少なくとも約０．０１重量％であり、
前記炭素は、前記物質が融点まで加熱されても前記銅から相分離しないことを特徴とする銅−炭素組成物。
【請求項９】
前記炭素は、前記物質の約１〜約５重量％であることを特徴とする請求項８に記載の銅−炭素組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１０年６月２４日に出願された米国出願６１／２１９，９０９号とに基づく優先権を主張し、その全体を参考文献として本願明細書に援用する。
【０００２】
本願は、銅および炭素を含む組成物に係り、特に、溶融あるいは再溶融した際に相分離しない銅−炭素組成物に関する。
【背景技術】
【０００３】
金属銅は、その相対的に高い導電性および熱伝導性により、様々な電子的用途および機械的用途に幅広く用いられている。しかしながら、金属銅は、延性が高く、機械的用途および構造的用途での使用を制限される。さらに、金属銅は、経時により腐食や酸化を受ける傾向があるため、多くの反応性環境ではその適用が制限される。
【０００４】
金属銅の熱的、機械的、および化学的特性を向上させる目的で、銅−炭素組成物が開発されてきている。銅−炭素組成物は、銅に対して炭素を機械的に導入することで形成され、これにより得られる銅−炭素組成物材料には、純銅と比して、例えば向上した熱伝導性等の利点が付加される。例えば、銅−炭素組成物は、銅と炭素を共に加熱して混錬する方法のみならず、銅と炭素の粉末冶金技術によっても調製される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国出願６１／２１９，９０９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、金属銅と同様、銅−炭素組成物は、特定の用途において使用を制限するような、物理的特性を有している。例えば、銅−炭素組成物中の炭素は、組成物が溶融する際に金属銅から相分離するので、銅−炭素組成物の高温下での用途の有用性が制限される。
【０００７】
よって、当業者は、金属銅の特性向上を研究し続けている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態においては、銅−炭素組成物は、銅と炭素を含み、銅と炭素は単一の相の物質を形成し、炭素は、当該物質が融点まで加熱された際に銅から相分離しない。
【０００９】
本発明の他の実施形態においては、銅−炭素組成物は、実質的に炭素と銅から構成され、銅と炭素は単一の相の物質を形成し、炭素は、当該物質が融点まで加熱された際に銅から相分離しない。
【００１０】
本発明のさらに他の実施形態においては、銅−炭素組成物は、実質的に炭素と銅から構成され、銅と炭素は単一の相の物質を形成し、炭素は、全材料の約０．０１重量％からなり、炭素は、当該物質が融点まで加熱された際に銅から相分離しない。
【００１１】
本発明の銅−炭素組成物のさらに他の態様は、後述の説明文、図面および請求項から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の銅−炭素組成物の走査電子顕微鏡写真であり、組成物のうち３０μｍ幅部分を示す。
【図２】本発明の銅−炭素組成物の走査電子顕微鏡写真であり、組成物のうち３μｍ幅部分を示す。
【図３】本発明の銅−炭素組成物の走査電子顕微鏡写真であり、組成物のうち２μｍ幅部分を示す。
【図４】本発明の銅−炭素組成物の走査電子顕微鏡写真であり、組成物のうち５００ｎｍ幅部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
炭素は、単一相物質を形成するだけの実質的量を金属銅中に組み合わせることができ、それにより、材料が溶融しても、炭素は銅から相分離しないことが発見された。
【００１４】
特に、金属銅を溶融させ、溶融金属銅に炭素を混合し、さらに、混合中にあって炭素が金属銅と結合するだけの十分なアンペアの電流を溶融混合物に加えることにより単一相の銅−炭素組成物を形成させることにより、炭素は銅と結合できることが発見された。得られた単一相の銅−炭素組成物は、続いて再溶融されても（すなわち、物質の融点かそれ以上に加熱されても）、相分離しない。
【００１５】
本発明の銅−炭素組成物中の炭素は、本発明の銅−炭素組成物を製造することができるあらゆる炭素質材料から得ることができる。例えば、活性炭等の高表面積な炭素、および所定の官能性を有する炭素では、好ましい結果が得られた。有用な炭素質材料の他の例は、ダイヤモンド、黒鉛およびバックミンスターフラーレンといった炭素の同素体である。当業者にとっては、特定の理論に限定されることなく多くの異なる形態の炭素が存在することは公知なので、所定の形態の炭素によっては本発明の銅−炭素組成物が得られ、他の炭素によっては得られないことがあると考えることができる。
【００１６】
本発明の銅−炭素組成物中の銅は、本発明の銅−炭素組成物を製造することができるあらゆる銅または銅合金である。銅の選択は、最終的に得られる銅−炭素組成物の用途に応じて決定されることは、当業者であれば理解することができる。例えば、高い導電性が要求される場合は、酸素非含有の高純度金属銅が用いられ、本発明の銅−炭素組成物は、真空中あるいは酸素非含有かつ非導電性ガス雰囲気下で形成される。
【００１７】
一実施形態においては、銅−炭素組成物は、少なくとも約０．０１重量％の炭素からなる。他の実施形態においては、銅−炭素組成物は、少なくとも約０．１重量％の炭素からなる。他の実施形態においては、銅−炭素組成物は、少なくとも約１重量％の炭素からなる。他の実施形態においては、銅−炭素組成物は、少なくとも約５重量％の炭素からなる。他の実施形態においては、銅−炭素組成物は、少なくとも約１０重量％の炭素からなる。他の実施形態においては、銅−炭素組成物は、少なくとも約２０重量％の炭素からなる。さらに他の実施形態においては、銅−炭素組成物は、少なくとも約５３重量％の炭素からなる。
【００１８】
ここで用いられている、「単相」および「相分離」という用語は、裸眼または僅かな倍率（例えば最大でも１００倍程度）で識別することができる相のことを指す。ゆえに、裸眼には単相に見えてナノスケールでは二つの明確な相を示す材料は、２相を有するとは見なされない。
【００１９】
本発明の銅−炭素材料の確かな化学的構造はこれまでのところ知られていないので、あらゆる特定の理論に限定されることなく、混合と電気エネルギーを加えるステップにより銅と炭素原子間に化学的結合が形成される結果をもたらすと現在のところ考えられ、これにより、公知の銅−炭素組成物および銅と炭素の溶液に対して特徴的な本発明の銅−炭素組成物が得られる。さらに、あらゆる特定の理論に限定されることなく、本発明の銅−炭素材料はナノ複合体材料であると考えられる。さらにまた、あらゆる特定の理論に限定されることなく、本発明の銅−炭素組成物を形成するために加えられる電気エネルギー（例えば、電流）の量は、銅と炭素間の吸熱化学反応を開始するのに充分でなければならないと考えられる。
【００２０】
以下の実施例を参照することにより、本発明の銅−炭素組成物をより理解することができるであろう。
【実施例】
【００２１】
［実施例１］
ガス加熱炉中に、電気的にアースされた黒鉛るつぼを載置した。るつぼ中には、酸素非含有の９９．９９９％高純度銅（ＯＦＨＰ）を１００．７９５オンス（２．８５７ｋｇ）投入した。ＯＦＨＰ銅は、ミシガン、サウスフィールドのＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ＮＡ製の棒から切り出した。
【００２２】
るつぼ中の銅が溶けたら、ロータリーミキサー端部の混合装置を溶融銅に挿入し、溶融銅に渦巻きが形成されるようにロータリーミキサーを作動させた。混合中に、溶融銅に１４２ｇの粉末活性炭を導入した。溶融銅に加えられる際に、僅かな量の炭素が漏れた。使用された粉末活性炭は、ペンシルバニア、ピッツバーグのＣａｌｇｏｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＷＰＨ−Ｍ粉末活性炭であった。銅および炭素混合物の温度は、約２３３５°Ｆ（１２７９℃）と測定された。
【００２３】
アーク溶接機に固定された炭素電極を、溶融した銅炭素混合物に挿入した。アーク溶接機は、オハイオ州クリーブランドのＴｈｅ  Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙ製である。溶融銅中に炭素を混合させながら、アーク溶接機を作動させて、銅炭素混合物中に１３５Ａ供給した。電流を流した結果、炭素は銅中に吸収されたように観察され、得られた銅−炭素組成物は、速やかに固化し、吸熱反応が起こったように考えられる。特に、るつぼ中の得られた銅−炭素組成物の温度は、約２３３５°Ｆ（１２７９℃）から速やかに約１９８０°Ｆ（１０８２℃）以下まで降下した。
【００２４】
冷却後、るつぼから銅−炭素組成物を取り出し、裸眼にて観察して単相によって成り立っていることを確認した。冷却された銅−炭素組成物をるつぼ中で再溶融し、相分離が観察されないことを確認した（すなわち、炭素のみまたは銅のみの相に分離することが起こらなかった）。
【００２５】
銅−炭素組成物が溶融状態にある間に、ピンのサンプルを取り出した。ピンのサンプルを速やかにかつ簡易的に圧延して薄いシートにし、シートの端部に沿って裂け目は観察されなかった。
【００２６】
［実施例２］
誘導炉中に、電気的にアースされた黒鉛るつぼを載置した。誘導炉は、ウィスコンシン州ブルックフィールドのＰｉｌｌａｒ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｃｏｍｐａｎｙ社製である。るつぼ中には、ＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ＮＡ製のＣ１１０００銅を２０ポンド（９．０７２ｋｇ）投入した。
【００２７】
るつぼ中の銅が溶けたら、ロータリーミキサー端部の混合装置を溶融銅に挿入し、溶融銅に渦巻きが形成されるようにロータリーミキサーを作動させた。混合中に、溶融銅に１５４ｇのＷＰＨ（登録商標）−Ｍ粉末活性炭を約１３分掛けて導入した。溶融銅に加えられる際に、僅かな量の炭素が漏れた。銅および炭素混合物の温度は、約２２００°Ｆ（１２０４℃）と測定された。
【００２８】
Ｌｉｎｃｏｌｎアーク溶接機に固定された炭素電極を、溶融した銅炭素混合物に挿入した。溶融銅中に炭素を混合させながら、アーク溶接機を作動させて、溶融銅炭素混合物中に２３０Ａ供給した。電流を流した結果、炭素は銅中に吸収されたように観察され、銅−炭素組成物が形成された。電流供給ステップにおいては、追加の熱を加えて、銅−炭素組成物の急速な固化とそれによるロータリーミキサーの損傷を防止した。
【００２９】
冷却後、るつぼから銅−炭素組成物を取り出し、裸眼にて観察して単相によって成り立っていることを確認した。冷却された銅−炭素組成物をるつぼ中で再溶融し、相分離が観察されないことを確認した。
【００３０】
［実施例３（比較例）］
ガス加熱炉中に、電気的にアースされた黒鉛るつぼを載置した。るつぼ中には、ＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ＮＡ製の９９．９％純銅を１００．２オンス（２．８４１ｋｇ）投入した。
【００３１】
るつぼ中の銅が溶けたら、ロータリーミキサー端部の混合装置を溶融銅に挿入し、溶融銅に渦巻きが形成されるようにロータリーミキサーを作動させた。混合中に、溶融銅に１４ｇの膨張黒鉛を導入した。銅および膨張黒鉛混合物の温度は、約２２４７°Ｆ（１２３１℃）と測定された。
【００３２】
Ｌｉｎｃｏｌｎアーク溶接機に固定された炭素電極を、溶融した銅膨張黒鉛混合物に挿入した。溶融銅中に膨張黒鉛を混合させながら、アーク溶接機を作動させて、溶融銅膨張黒鉛混合物中に２４０Ａ供給した。一旦電流が供給されてから、温度低下は観察されなかった。
【００３３】
冷却後、るつぼ中には、銅相と炭素相が観察され、本発明の銅−炭素組成物は形成されていないようであった。
【００３４】
したがって、材料が冷却され続いて再溶融されても炭素質材料が銅から相分離しない本発明の銅−炭素組成物は、所定の炭素質材料を金属銅中に単相材料を形成するために要する量を組み合わせてなるものである。
【００３５】
以上、本発明の銅−炭素組成物の様々な態様について説明してきたが、当業者であれば、本願明細書に基づいて、改良を行うことができるであろう。本発明は、そのような改良をも含むものであり、請求項の範囲のみに限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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