(57)【要約】カーボン含有マトリックスを含む製造物。カーボン含有マトリックスは、黒鉛結晶性カーボン材料、カーボン粉末及び人工黒鉛粉末から成る群から選択される少なくとも１種類のカーボン材料を含み得る。さらに、カーボン含有マトリックスは、複数の細孔を含む。製造物はまた、アルミニウム、アルミニウム合金又はこれらの組合せから成る金属成分を含む。金属成分は、複数の細孔の少なくとも一箇所に配置される。更に、製造物は少なくともシリコンを含有する添加剤を含む。添加剤の少なくとも一部は、細孔内の金属成分とカーボン含有マトリックスとの界面に配置されている。添加剤は、界面におけるフォノンカップリング及び伝搬を強化する。
2012515254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛結晶性カーボン材料、カーボン粉末、人工黒鉛粉末又はこれらの組合せから成る群から選択される少なくとも１種類の炭素材料を含むカーボン含有マトリックス、カーボン含有マトリックスが複数の細孔を含む、
アルミニウム、アルミニウム合金又はこれらの組合せを含む金属成分、金属成分が複数の細孔の少なくとも一部に配置される； 及び
少なくともシリコンを含む添加剤、少なくとも一部の添加剤は、細孔内の金属成分とカーボン含有マトリックスとの界面に配置され、添加剤がフォノンカップリングと界面における伝搬を強化する、
を含む製造物。
【請求項２】
金属成分が複数の細孔の少なくとも９０体積％に配置される、請求項１に記載の製造物。
【請求項３】
添加剤が金属成分及び界面に配置される、請求項１に記載の製造物。
【請求項４】
添加剤が１１質量％未満の金属成分を含む、請求項３に記載の製造物。
【請求項５】
添加剤が５質量％超の金属成分を含む、請求項３に記載の製造物。
【請求項６】
添加剤がシリコン結晶を含む、請求項１に記載の製造物。
【請求項７】
界面がシリコン結晶、シリコンカーバイド、ＡｌaＳｉbＣc及びこれらの組合せを含む、請求項１に記載の製造物。
【請求項８】
１％以下のＡｌ4Ｃ3を更に含む、請求項１に記載の製造物。
【請求項９】
界面の厚さが１００ナノメートル未満である、請求項１に記載の製造物。
【請求項１０】
熱伝導度が３００Ｗ／ｍＫ〜６００Ｗ／ｍｋの範囲内である、請求項１に記載の製造物。
【請求項１１】
熱拡散率が０．８ｃｍ2／秒〜３．２ｃｍ2／秒の範囲内である、請求項１に記載の製造物。
【請求項１２】
請求項１の製造物を生成する方法であって、
型にカーボン含有マトリックス、金属成分及び添加剤を提供すること;
型を８０ＭＰａ〜１００ＭＰａの範囲に加圧して、１０分〜２０分の範囲の間、７００℃〜８００℃の範囲の温度とすること、
を含む方法。
【請求項１３】
カーボン含有マトリックスを７００℃〜７５０℃の範囲の温度まで予熱すること、及び型を加圧する前に鋳型及び金型を約２５０℃の温度まで予熱することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
型を加圧する前に７００℃〜７５０℃の範囲の温度で金属成分を溶融することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
金属成分を溶融する前に添加剤と金属成分とを予め混合することを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
金属成分を溶融した後に金属成分へ添加剤を添加することを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
カーボンブロックを３２００℃〜３６００℃の範囲の温度で２日〜３日の範囲の間加熱してカーボン含有マトリックスを形成することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
８００℃〜５００℃の範囲の温度で石油コルク、針状コルク、タール又はこれらの混合物を押出してカーボンブロックを形成することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１の製造物を機械加工して熱伝達デバイスとすることを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
カーボン含有マトリックス、ある量のシリコン及び固形又は溶解アルミニウム若しくはアルミニウム合金を型へ提供すること、カーボン含有マトリックスは、黒鉛結晶性カーボン材料、カーボン粉末及び人工黒鉛粉末から成る群から選択される少なくとも１種類のカーボン材料を含む、及び
型を８０ＭＰａ〜１００ＭＰａの範囲に加圧して、１０分〜２０分の範囲の間、７００℃〜８００℃の範囲の温度とすること、
を含む方法により生成される製造物。
【請求項２１】
黒鉛結晶性カーボン材料、カーボン粉末、人工黒鉛粉末又はこれらの組合せから成る群から選択される少なくとも１種類の炭素材料を含むカーボン含有マトリックス、カーボン含有マトリックスは複数の細孔を含み、カーボン含有マトリックスは、高圧成型プレスによって形成される;
アルミニウム、アルミニウム合金又はこれらの組合せを含む金属成分、金属成分は複数の細孔の少なくとも一部に配置される； 及び
少なくともシリコンを含む添加剤、少なくとも一部の添加剤は、細孔内の金属成分とカーボン含有マトリックスとの界面に配置され、添加剤はフォノンカップリングと界面における伝搬を強化する、
を含む製造物
【請求項２２】
最大熱伝導度が、カーボン含有マトリックス形成中のカーボン含有マトリックス上に高圧成型プレスによって発揮される圧力の方向に対して垂直な方向に存在する、請求項２１に記載の製造物。
【請求項２３】
黒鉛結晶性カーボン材料、カーボン粉末、人工黒鉛粉末又はこれらの組合せから成る群から選択される少なくとも１種類の炭素材料を含むカーボン含有マトリックス、カーボン含有マトリックスは複数の細孔を含み、カーボン含有マトリックスは、押出しによって生成される;
アルミニウム、アルミニウム合金又はこれらの組合せを含む金属成分、金属成分は複数の細孔の少なくとも一部に配置される； 及び
少なくともシリコンを含む添加剤、少なくとも一部の添加剤は、細孔内の金属成分とカーボン含有マトリックスとの界面に配置され、添加剤はフォノンカップリングと界面における伝搬を強化する、
を含む製造物。
【請求項２４】
最大熱伝導度がカーボン含有マトリックス形成中の押出し方向に対して平行に存在する、請求項２３に記載の製造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国非仮特許出願番号第１２／６２９，８５３号、２００９年１２月２日出願、を優先権主張し、本願明細書において引用されるものとする。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、カーボンアルミニウム複合材料の温度特性と物理的特性を強化することに係る。
【０００３】
米国非仮特許出願番号第１２／６２９，８５３号、２００９年１２月２日出願は、米国非仮特許出願番号第１２/６２９，８５３号、２００８年１２月３日出願、を優先権主張し、本願明細書において引用されるものとし、米国非仮特許出願番号第１２/６２９，８５３号はまた、米国仮特許出願番号第６１/１４７，６２８号、２００９年１月２７日出願、を優先権主張し、本願明細書において引用されるものとする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願は、カーボンアルミニウム複合材料の温度特性と物理的特性を強化することに係る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願の製造物は、カーボン含有マトリックスを含む。カーボン含有マトリックスは、黒鉛結晶性カーボン材料、カーボン粉末、人工黒鉛粉末又はこれらの組み合わせから成る群から選択される少なくとも１種類のカーボン材料を含み得る。さらに、カーボン含有マトリックスは、複数の細孔を含む。製造物はまたアルミニウム、アルミニウム合金、又はこれらの組み合わせから成る金属成分を含む。金属成分は、複数の細孔の少なくとも一箇所に配置される。更に、製造物は少なくともシリコンを含有する添加剤を含む。添加剤の少なくとも一部分は、細孔内の金属成分とカーボン含有マトリックスとの界面に配置されている。添加剤は、界面におけるフォノンカップリング及び伝搬を強化する。添加剤は、金属成分の５質量％〜１１質量％を含み得る。加えて、界面はＳｉ結晶、ＳｉxＣy、ＡｌaＳｉbＣc又はこれらの組合せを含み得る。幾つかの例において、本発明の製造物は、１％未満のＡｌ4Ｃ3の如き痕跡量のＡｌ4Ｃ3を含んでも含まなくても良い。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
詳細な説明は、添付の図面に関連して記載されている。図面において、参照番号の最左端の数字は、参照番号が最初に現れる図面を識別する。特徴や要素のような参照に、同一の数字が図面の全体にわたって使われる。
【０００７】
【図１Ａ】高品質の針状コークスの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１Ｂ】低品質のコークスの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図２】粗黒鉛粒子構造及び精細黒鉛粒子構造のＳＥＭ写真である。
【図３】炭素質マトリックスを作成する方法を示すフロー図である。
【図４】炭素質マトリックスのラマンスペクトルの例を示すグラフである。
【図５】炭素質マトリックスの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
【図６Ａ】炭素質マトリックスのナノ黒鉛板の追加のＴＥＭ写真である。
【図６Ｂ】炭素質マトリックスのナノ黒鉛板の追加のＴＥＭ写真である。
【図７Ａ】炭素質マトリックスのＴＥＭ回折パターンを示す写真である。
【図７Ｂ】炭素質マトリックスのＴＥＭ回折像を示す写真である。
【図８】カーボン−アルミニウム複合材温度管理材料製造方法のフロー図である。
【図９Ａ】カーボン−アルミニウム複合材料を利用できる熱伝達器具を例示する図である。
【図９Ｂ】カーボン−アルミニウム複合材料を利用できる熱伝達器具を例示する図である。
【図１０】炭素質マトリックスの細孔内の炭素とアルミニウムとの間の界面形成を示す図である。
【図１１】黒鉛状カーボンとアルミニウム充填物との間の界面を示す界面層の超高拡大率ＴＥＭ写真である。
【図１２Ａ】カーボン−アルミニウム複合材料の様々な位置で観るＴＥＭ写真である。
【図１２Ｂ】カーボン−アルミニウム複合材料の様々な位置で観るＴＥＭ写真である。
【図１２Ｃ】カーボン−アルミニウム複合材料の様々な位置で観るＴＥＭ写真である。
【図１３Ａ】カーボン−アルミニウム複合材料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１３Ｂ】カーボン−アルミニウム複合材料の対応するエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析写真である。
【図１４】シリコン、アルミニウム及びカーボンの三成分状態図である。
【図１５】アルミニウム及びシリコンの二成分状態図である。
【図１６】カーボン−アルミニウム複合材料のラマンスペクトルのグラフである。
【図１７】カーボン−アルミニウム複合材料のアルミニウム豊富域のラマンスペクトルのグラフである。
【図１８】カーボン−アルミニウム複合材料のＸ線回折パターン（ＸＲＤ）のグラフである。
【図１９】ＸＲＤパターンのピーク識別のための参照ピークのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の温度管理複合材料は、金属、炭素質骨格及び添加剤を含む。温度管理複合材料は、出発原料に特定の添加剤を添加することによって所望の温度特性を達成し得る。これらの添加剤は、以下が可能である：
１）炭素質骨格の品質を制御する；
２）全体的な熱伝導度の増加を供与する金属及び炭素質骨格間の界面層をもたらす； 
３）複合材料の性能を損なう不必要な化学的副産物を抑制する；及び、
４）複合材料の性能を強化する特定の化学的生成物を提供する。
これらの結果により、複合材料の熱的及び物理的な特性を強化することができる。
【０００９】
いかなる理論にも拘束されずに、熱伝導は以下の式１にて記載される温度差（温度傾度）によって支配される。
【００１０】
【数１】
2012515254.tif 000003
【００１１】
式中、Φqは単位Ｗ・ｍ-2での熱流束であり、Ｔ（ｆ）は、単位ケルビンでの温度場であり、そして、κは、単位Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1での熱伝導度である。熱エネルギーが無限小体積に／から伝送されると、局所的温度は以下の式２によって定義される材料の比熱容量によって変化する。
【００１２】
【数２】
2012515254.tif 000004
【００１３】
式中、Ｃpは単位Ｊ・ｋｇ-1・Ｋ-1での比熱容量である。
【００１４】
これらの２つの原理を一緒にして以下の式３に定義した熱方程式に至る。
【００１５】
【数３】
2012515254.tif 000005
【００１６】
式中、αは単位ｍ2・ｓ-1での熱拡散率であり、そして、αは、下記の式４によって得られる。
【００１７】
【数４】
2012515254.tif 000006
【００１８】
式中、ρは単位ｋｇ・ｍ-3での物質密度である。積Ｃpρは、体積測定熱容量としても知られている。一次元システム用に、グリーン関数は下記の式５によって得られる。
【００１９】
【数５】
2012515254.tif 000007
【００２０】
式５のグリーン関数は、無限の拡がりを有する材料のｘ＝０でのδ−関数初期温度分布のための式３の解である。式３のための三次元グリーン関数は、以下の式６によって定義される。
【００２１】
【数６】
2012515254.tif 000008
【００２２】
式６は
【００２３】
2012515254.tif 000009
【００２４】
でのδ‐関数初期温度の温度場の進化反応式である。
【００２５】
序文
熱伝導度は、三大寄与、すなわち電子、フォノン及び磁気に基づき得る。総熱伝導度（式７）は、各寄与用語の和として表現される：
【００２６】
【数７】
2012515254.tif 000010
【００２７】
第１寄与語、κ電子は、材料間の電子−電子相互作用による。電子−電子相互作用を経たエネルギー移動は、結晶構造内の共有電子の直接効果である。第２寄与語κフォノンは、フォノンカップリングに関係する。フォノンは、結晶構造内の格子振動である。これらの格子振動は材料を通して伝播し、熱エネルギーを伝送できる。正規な結晶格子構造を有する高順位材料は、部分的正規材料又は非結晶材料より効率的にエネルギーを伝送する。熱伝導度に対する第３寄与語κ磁気は、磁気相互作用に依存する。磁気相互作用を最大化するために、金属が複合材料に使用できる。例えば、ニッケル、鉄及びコバルトのような金属は磁気モーメントを有する。磁気相互作用を経たエネルギー移動は、整列配置された電子スピン及び結果的なスピン間結合によって増加してもよい。
【００２８】
原材料Ａと原材料Ｂとの複合材料の如き複合材料の温度特性は、原材料Ａの粒子と原材料Ｂの粒子との間の界面の品質及び性質によって影響され得る。特に、複合材料を形成する界面の品質は、原材料Ａと原材料Ｂとの粒子間のフォノンカップリング及びフォノン伝搬；界面の性質を変更して界面における熱インピーダンスの期待値を変更するＡxＢy化合物の生成；及びＡ及びＢの粒子の界面での接着強度の影響を受け、接着強度は複合材料の温度特性だけでなく最終的な機械強度にも影響を及ぼすことができる。原材料Ｃの如き添加剤は、粒子境界２次界面を創成でき、材料の温度特性又は機械強度を強化するＡxＣz、ＢyＣz又はＡxＢyＣz材料を形成する。これらの添加剤Ｃはまた、材料の性質に有害であり得る組合せ中間相の形成を抑制できる。
【００２９】
カーボンアルミニウム複合材の熱管理材料を含む図説例において、複合材料の全体的な熱伝導度に役割を演ずるカーボン及びアルミニウム部分間の表面で金属カーバイドが形成し得る。幾つかの実施形態において、特定の濃度でカーボンアルミニウム複合材料に添加されるドーパント材料は、金属カーボン界面全体に亘る熱伝導度を最大化できる。
【００３０】
概要
本開示は、非常に小さい微粒子を有する非常に組織化された黒鉛状カーボンを含み、整列配置され、次いで高圧の下で加熱されて多孔性の、炭素質骨格材料を創成するための炭素質マトリックス（本願明細書において「カーボン含有するマトリックス」又は「炭素質骨格」とも称される）について記載する。炭素質骨格材料は、次いで高熱及び高圧力の下で溶融金属を注入される。金属の添加は、炭素質骨格の強度を増加し、同時に炭素質骨格の空隙を充填することによって物理的特性を強化する。
【００３１】
金属又は金属合金の慎重な採択により、所望の形状に容易に機械加工され、リサイクル可能な優れた温度管理特性を有する強い材料の創成が可能である。幾つかの実施形態において、金属はアルミニウムであっても良く、アルミニウムは低コストで低いプロセス温度をもたらし、その一方で、優れた好適な熱特性を維持する。他の実施形態において金属は銅であってもよく、銅もまた優れた熱特性を有するものの、高質量で高いプロセス温度を必要とする。しかしながら、プロセスはこれら２例に限定されることはない。
【００３２】
複合材料の温度特性を改良するために、基体金属に対して痕跡量の添加剤があり得る。可能性のある添加剤にはゲルマニウム、鉛、シリコン、錫、チタン、クロミウム、マグネシウム、マンガン及び銅が含まれるが、これらに限定されるものではない。これらの添加剤は、炭素質骨格を含浸する能力を強化できる。例えば、幾つかの添加剤は金属の表面張力を変更し、炭素質マトリックスへのメタルフローを補助できる。さらに、添加剤は金属及び炭素質骨格間の界面の品質を強化できる。界面の品質は、複合材料の機械的強度に影響を及ぼすことができて、複合材料の温度特性にも影響を及ぼすことができる。
【００３３】
図示の例において、アルミニウム及びシリコンを炭素質骨格に添加できる。この例では、総熱伝導度は、アルミニウム、カーボン及びシリコンからの寄与に基づいて決定できる。例示すると、アルミニウムは熱伝導度に対して電子成分及びフォノン成分より高い寄与を有し得る。更に、マトリックスにおける黒鉛は単一の平面内で優れた電子的寄与を有するが、平面間では乏しいフォノンカップリングを有する。シリコンは炭素質骨格の品質、カーボンとアルミニウム間の界面の性質、及びアルミニウムカーバイドの如きマトリックス内の中間体の量に影響を及ぼし得る。特にシリコンは、強化した電子及びフォノンカップリング及び伝達を通じてエネルギー移動を許す黒鉛状カーボンとアルミニウム間の界面を生成することにより、複合材料の熱伝導度に寄与できる。
【００３４】
幾つかの実施形態において、温度管理複合材料は熱伝達材料として利用され得る。熱伝達材料は、熱を環境に拡げることができて、迅速かつ効率よくホットスポットから熱を除去することができる。多くの強力、高速電子デバイス及びシステムは、高熱拡散率材料に温度を調整し、ホットスポットの効果を除去するか又は減らすことを要求する。熱拡散率は、容積熱容量に対する熱伝導度の比である。高い熱拡散率を有する材料はそれらの容積熱容量（熱的な嵩）と比較して、急速に熱を導き、これは温度波が急速にホットスポットから周囲に移動することを意味する。特定の応用のために熱伝達材料を選ぶときに、熱拡散率に加えて考慮すべき他の要因は材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）、重量、処理の平易さ及び価格である。
【００３５】
炭素質マトリックスの製造
炭素質マトリックスの黒鉛状カーボンは、産業用コークス生成物に基づき得る。石炭及び石油産業においては、カーボン残渣を天然資源又は精練プロセスから誘導できる。幾つかの実施形態において、石油製品から誘導されるより高い品質の針状コークスは、炭素質マトリックスを形成するために利用され得る。図１Ａは、図１Ｂに示される低品質のコークスと比較したより高品質の針状コークスの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。ピッチ／タールもまた、針状コークスに添加されることができて、主にバインダとして機能し、２６００℃以上、一般的には３２００℃〜３６００℃の範囲の温度で加温される間、黒鉛状カーボンに変わる。生の黒鉛材料は、粗い黒鉛粒子と０．２ｍｍ〜２ｍｍの範囲の平均寸法を有する微細な黒鉛粒子とを含んでも良い。幾つかの実施形態において、粒子の約１０％は、楕円状の形を呈する。図２は、「ａ」とラベルが付された粗粒子構造と、「ｂ」とラベルが付され、矢印で示す楕円状粒子の微細な粒子構造とのＳＥＭ写真である。
【００３６】
図３は、炭素質マトリックスを生成するための方法３００を示すフロー図である。３１０では、原材料は一緒に混合される。混合プロセスの間、３原材料を使用できる−石油コルク、針状コルク、タール（液体）又はこれらの組合せ。針状コルクは、炭素質マトリックスの形を制御し、最終的に炭素質マトリックスの比抵抗を下げるために用いてもよい。カーボンブロックの形を制御し、炭素質マトリックスの細孔を充填するために液状タールを用いても良い。石油コルク及び針状コルクは圧壊され、異なる比を用いても良いが、約１０：１の比で混合される。混合物は、次いで約５００℃以上で焼成プロセスに供され硫黄の如き不純物を蒸発させる。液状のタールは、次いで混合物に投与される。幾つかの実施形態において、針状コルクがより高いカーボン成分量、低い硫黄含有量、低い熱膨張係数、高い熱伝導度を有して、石油コルクより容易に形成するので、石油コルクのない炭素質マトリックスを生成するために針状コルク及びタールを用いてもよい。
【００３７】
３２０では、方法３００は炭素質マトリックスの熱消散方向を決定することを含む。例えば、炭素質マトリックスが押出プロセスを利用して製造されるときに、炭素質マトリックスはＺ方向において速やかに熱を消散できる。他の例において、炭素質マトリックスが高圧成型プレスを利用して製造されるときに、炭素質マトリックスはＸＹ方向において速やかに熱を消散できる。ＸＹ方向に沿った熱消散が特定されるときに、方法３００は３３０へ移動し、５０ＭＰａより高い圧力で高圧成型プレスに原材料を配置することによって炭素質マトリックスが形成される。一方、Ｚ方向に沿った熱消散が特定されるときに、方法３００は３４０へ移動する。
【００３８】
３４０では、石油コルク、針状コルク及び／又はタールの原材料混合物は押出しプロセスに供給され、炭素質マトリックス作成に利用される型の形状と寸法に基づいてカーボンブロックを形成する。例示の実施形態において、カーボン型は円筒状で、直径約７００ｍｍ、長さ約２７００ｍｍ、重量は少なくとも約１トンであってもよい。しかしながら、型の寸法は処理設備の能力に基づいて変更できる。押出加工プロセスは、５００℃〜８００℃の温度領域で実施され得る。混合物を円柱状にプレスするために利用される力は約３５００トンで、約３０分間加圧される。幾つかの例では、押出されたカーボンブロックは、高圧成型プレスを使用して処理できる。カーボンブロックは、次いで冷却水浴槽へ移されひび割れを防止するために冷却される。
【００３９】
３５０では、ブロックは焼成される。焼成プロセスは、高温でタールを炭化し揮発性成分を除去できる。特定の実施形態では、カーボンブロックは冷却浴から炉へ輸送され、約１６００℃の温度で加熱される。幾つかの実施形態において、カーボンブロックは２〜３日の範囲の間焼成される。焼成プロセスの後、カーボンブロックの表面は、より粗くて多孔性になり得る。加えて、カーボンブロックの直径は約１０ｍｍ低減し得る。
【００４０】
３６０では、３２００℃〜３６００℃の範囲の温度でカーボンブロックを加熱することによって黒鉛化が起こる。幾つかの実施形態において、黒鉛化は約２６００℃で開始し、約３２００℃で高品質な黒鉛が形成できる。特に、約３０００℃でカーボンブロックの黒鉛板の積層が平行になり、乱層障害が減少し、若しくは除去される。幾つかの実施形態において、カーボンブロックは低い温度に加熱され、より高い圧力で加熱が起こると結晶化黒鉛を生成できる。例示の実施形態において、カーボンブロックは約２〜３日間加熱される。加熱プロセスの間、カーボンブロックの硫黄及び揮発性成分は、減少又は完全に消去され得る。
【００４１】
３７０では、カーボンブロックは検査され、所望の形状に機械加工される。例えば、カーボンブロックの電気的特性を試験し、機械的なひび割れ又は視覚的に識別可能な欠陥は次の生産段階に先立って点検される。検査の後、炭素質マトリックスは次いでカーボンブロックの用途によって特定の形状に機械加工される。
【００４２】
炭素質マトリックスは、カーボンの様々な形及び痕跡量の他の材料を含み得る。例えば、炭素質マトリックスは、黒鉛状結晶性カーボン材料、カーボン粉末、人工黒鉛粉末、カーボンファイバ又はこれらの組合せを含み得る。炭素質のマトリックスブロックの密度は、１．６ｇ／ｃｍ3〜１．９ｇ／ｃｍ3の範囲であり得る。加えて、カーボンブロックの比抵抗は、４μΩｍ〜１０μΩｍの範囲であり得る。特定の実施形態において、炭素質マトリックスの比抵抗は約５μΩｍである。カーボンブロックの低比抵抗は炭素質マトリックスの黒鉛状シートの良好な直線性を示し、より高い熱伝導度を提供し得る。
【００４３】
幾つかの例において、炭素質マトリックスの形成に続いて、材料はラマン分光分析法を使用して分析できる。特に、図４は約１３６０ｃｍ-1と約１５８０ｃｍ-1及び約２６６０ｃｍ-1で３点の明確なピークを有する炭素質マトリックスのラマンスペクトルの例を示す。最初の２つのピークは、第１次振動モードと識別される。約１３６０ｃｍ-1でのピークは、ブリュアンゾーン縁のＡ1gブリージングモードである。これは、Ｄバンドと称しても良い。約１５８０ｃｍ-1での第２ピークは、ｓｐ2カーボンのＥ2g 平面内ブリージングである。これは、Ｇバンドと称しても良い。約２６６０ｃｍ-1での第３ピークは、図４で「ＤＰ」とラベル付けをしたＤバンドの総２次カップリングピークである。１５８０ｃｍ-1Ｇバンドの肩の部分に生じる第４バンドもあって、約１６２０ｃｍ-1に位置する。このバンドは、Ｄ’（Ｄプライム）と称してもよい。主要なＤバンドは、無秩序なカーボン成分を示し得えるものの、Ｄ’バンドの外観は、無秩序の度合いが低減したか、又は、幾つかの無秩序な成分が黒鉛状結晶に変化したことを意味し得る。
【００４４】
図４において、最初の二つのピーク、すなわちＤピークとＧピーク、のそれぞれは、鋭く、ベースラインにほぼ完全に容易に分解されることができて、黒鉛状カーボンが比較的高温度で形成されてかなり結晶化することを示している。鮮明で顕著なラマンスペクトルは、黒鉛状カーボンの高度な結晶化を示す。２６６０ｃｍ-1での主要な二次オーダーピークは、ｃ軸又はＺ方向に沿った順位による。Ｚ方向は、黒鉛状シートの平面に対して垂直である。材料が厚ければ厚いほど、ｃ軸カップリングは強くなり、ラマンピークもより顕著となる。
【００４５】
ピーク幅（半最大値の全幅（ＦＷＨＭ））は、Ｇバンドについては２５ｃｍ-1であると判定される。ピーク幅が狭ければ狭いほど、黒鉛はより多く秩序だっている。一例において、４０ｃｍ-1未満のＦＷＨＭは、高度に秩序立った黒鉛を表わし得る。その上、黒鉛状カーボン粒子の寸法は、Ｇバンドピーク幅の解析によって決定される。更に、Ｄ対Ｇバンドの強度比（Ｉｄ/Ｉｇ）は局部的な黒鉛領域の寸法に依存できる。幾つかの実施形態において、Ｉｄ/Ｉｇ比は約０．５〜約０．９であってもよい。この範囲のＩｄ/Ｉｇ比は、黒鉛粒子が少なくとも約５ナノメートルより大きく良好な結晶化度を有することを示唆し得る。図４において、Ｉｄ/Ｉｇは０．７と計測され、高度な秩序と良好な黒鉛結晶化度を有する非常に微細な結晶を表わし得る。微細な結晶の存在は、黒鉛状カーボンの中間層フォノンカップリングを補助できる。
【００４６】
図５は、炭素質マトリックスの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。図５のＴＥＭ写真は、約１００ナノメートル未満の寸法を有する黒鉛板の堆積形成を示す。図５は、約５０ナノメートルの厚さを有する黒鉛板の具体例である。高熱伝導度の方向は、図５の矢で示す通り、長軸に沿って存在する。
【００４７】
図６Ａ及び図６Ｂは炭素質マトリックスのナノ黒鉛板（「ＮＧＰ」としてラベル付け）の追加のＴＥＭ写真である。前記の板は、一般に押出（図６Ａ）方向とプレスプロセス（図６Ｂ）方向とに指向される。ナノ黒鉛板の整然とした堆積は、黒鉛板の長軸方向に効率的な熱伝達を促進できる。図６Ａ及び図６Ｂはまたナノ空隙（「ＮＶ」としてラベル付け）及びナノスリット（「ＮＳ」としてラベル付け）を示し、これらはカーボン系粒子を使用する製造プロセスの人工物である。図６Ａ及び図６Ｂは約７０ナノメートルの厚さを有するナノ空隙及び約３０ナノメートルの厚さを有するナノスリットを示す。
【００４８】
図７Ａ及び図７Ｂは炭素質マトリックスのＴＥＭ回折パターンと回折像を示す写真である。図７ＡのＴＥＭ回折パターン及び図７ＢのＴＥＭ回折像は、押出プロセスの間に形成される炭素質マトリックスの結晶化度および黒鉛の性質を示す。特に、図７Ａは電子が黒鉛材料の結晶格子と相互に作用する際に生成される回折パターンを示す。さらに、図７Ｂは黒鉛板の格子構造を示す。
【００４９】
アルミニウム含浸プロセス
炭素質マトリックスの結晶性黒鉛内の熱伝導度は高いものの、ポケット及び細孔（本開示では、「空隙」とも称する）がマトリックス内に存在する。フォノンは黒鉛を通して直ちに伝送されるが、フォノンが空隙に直面するときに、エネルギーは反射し戻されて材料内に消散する。機械的に強く熱的に伝導性の材料はこれらの細孔に注入され、炭素質マトリックスを通してより効率的な熱伝達を促進でき、同時に特定の様式で機械的特性を強化するか又は変更する。加えて、プロセスの温度及び圧力は、アルミニウムカーバイドの如き特定の生成物の形成を抑制するべく制御され、更に炭素質マトリックスの空隙の最大充填を保証するべく制御される。
【００５０】
図８は、カーボン−アルミニウム複合材温度管理材料製造方法８００のフロー図である。８１０では、炭素質のマトリックスブロックは視覚的に検査され、ブロックの特性が測定される。例示の実施形態において、ブロックは検査されてブロックが１．６ｇ／ｃｍ3〜１．９ｇ／ｃｍ3の範囲の密度を有するかどうかを判定し、ブロックが４μΩｍ〜１０μΩｍの範囲の比抵抗を有するかどうかを判定する。
【００５１】
８２０では、炭素質マトリックスは温度約７００℃まで予熱され、この温度は少なくとも約１時間の間維持される。炭素質マトリックスが予熱される間、反応器プレスの金型及び鋳型は温度約２５０℃まで加熱される。金型及び鋳型並びに炭素質マトリックスが予熱されたら、炭素質マトリックスは鋳型へ移送される。
【００５２】
なお、金型の予熱の間、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金は、約６６０℃のアルミニウム融点より高い７００℃〜７５０℃の範囲の温度に加熱される。幾つかの実施形態において、ドーパント／添加剤は、溶融に先立ってアルミニウムに予統合される。他の実施形態において、ドーパントはアルミニウム溶融プロセスの間、アルミニウムに添加される。
【００５３】
８３０では、予熱された炭素質マトリックスは、反応器プレスの状型に静置される。幾つかの実施形態において、鋳型は内径約３５０ｃｍ及び深さ約５００ｍｍの円筒状の形であり、その一方で、炭素質のマトリックスブロックは約１５０ｍｍ×約２００ｍｍ×約２５０ｍｍの寸法の直方体である。他の実施形態において、鋳型は直径約１ｍ及び深さ約５００ｍｍである。
【００５４】
８４０では、含浸工程が始まる。特に、溶融アルミニウムが鋳型に満たされ、１５００トンプレスが低下する。アルミニウムは、炭素質マトリックスによって占められていない鋳型の空間を最初に充填される。特定の実施形態において、この工程の間炭素質マトリックスに動作する圧力は約1００ＭＰａで、持続時間は１０分〜２０分、温度範囲は７００℃〜８００℃である。例示の実施形態において、加えられる圧力は、約１０分間で約１００ＭＰａである。
【００５５】
８５０では、炭素質マトリックスは溶融アルミニウムを含浸されたあと、カーボン−アルミニウム複合材料は冷却されて、型から除去される。加えて、どの余剰アルミニウムも除去される。余剰のアルミニウムは、再加熱されることができて、次の炭素質マトリックスを含浸するために使用される。幾つかの実施形態において、カーボン-アルミニウム複合材料は、約８０%のカーボンと約２０％のアルミニウム材料を含む。アルミニウム材料は、アルミニウム、アルミニウムに添加されたいかなるドーパント、他の反応生成物またはこれらの組合せを含んでも良い。さらに、幾つかの実施形態において、炭素質マトリックスの細孔の少なくとも９０体積％はアルミニウム材料で充填される。加えて、方法８００はブロックの中央から表面まで約６００ｍｍに及ぶ炭素質マトリックスを通じたアルミニウム材料の一様分布を生成し得る。
【００５６】
８６０では、カーボン−アルミニウム複合材料の特性が測定される。特定の実施形態において、カーボン−アルミニウム複合材料の温度特性は、ＬＦＡ ５０２レーザーフラッシュアナライザー を使用して試験され得る。幾つかの実施形態において、検査システムは銅標準試料計測を使用して較正され、算出されるデータ偏位を３％未満に調整され得る。
【００５７】
例えば、ＫＥＭレーザレーザーフラッシュ計測システムは、カーボン−アルミニウム複合材料の熱拡散率、熱伝導度及び比熱を測定し得る。カーボン−アルミニウム複合材料の熱伝導度は、３００Ｗ／ｍＫ〜６００Ｗ／ｍＫの範囲内であり得る。さらに、カーボンアルミニウム複合材料の熱拡散率は、０．８ｃｍ2／秒〜３．２ｃｍ2／秒の範囲内であり得る。特定の例において、カーボン−アルミニウム複合材料の温度特性は、ＡＳＴＭ Ｅ１４６１−９２に準拠したレーザーフラッシュ計測法を用いて測定され、約２．６８ｃｍ2／秒の熱拡散率と約４６３Ｗ／ｍＫの熱伝導度を示した。
【００５８】
カーボン−アルミニウム複合材料の他の特性もまた測定され得る。例えば、曲げ強度は、曲げ試験システム（ＡＧ−ＩＳ）を使用して測定され得る。他の例において、ヤング率はヤング率計測機器（ＹＭＣ−２）を使用して測定され得る。その上、高処理能力カスタムＩ−Ｖ測定ユニットは、電気抵抗、コンダクタンス等の電気的特性を測定し得る。更に、正確な秤と天秤は、含浸の前後で気孔率を推定するために質量及び重量を測定し得る。ラマン分析機器は、材料の結晶構造の解析のために利用され得て、そして、Ｃｏｕｌｔｅｒ ＳＡ ３１００の表面積及び細孔寸法アナライザは、ブルナウアー‐エメット‐テラー（ＢＥＴ）解析に基づいて、炭素質マトリックスの細孔寸法及び密度を監視し得る。
【００５９】
更に、特定の軸に沿ったカーボン−アルミニウム複合材料の特性は、炭素質マトリックスを製造するために用いるプロセスに依存し得る。例えば、炭素質マトリックスが押出加工プロセスを経て製造されるときに、熱はＺ方向においてより速く消散される。この例では、最大熱伝導度は、カーボン含有マトリックスの形成の間の押出方向に対して平行である。他の例において、炭素質マトリックスが高圧成型プレスを使用して作られるときに、熱消散はＸＹ平面においてより迅速であり得る。この例では、最大熱伝導度は、カーボン含有マトリックス形成の間、カーボン含有マトリックスに対して高圧成型プレスによって動作する圧力の方向に対して垂直である。その上、カーボン−アルミニウム複合材料の特性は、出発原料及び例えば炭素質マトリックスにアルミニウムを注入するプロセスの間に加えられる温度および圧力、及び、炭素質マトリックス、アルミニウム及び／又はいかなる添加剤もがプロセス条件に従属する時間数の如きプロセス条件の品質（すなわちアルミニウム形成前の炭素質マトリックスの特性）に依存することができる。
【００６０】
表１は、押出プロセスを使用して製造される炭素質マトリックスで作られたカーボン−アルミニウム複合材料のサンプルの特性を示し、表２は高圧成型プレスを使用して製造した炭素質マトリックスから作られるカーボン−アルミニウム複合材料のサンプルの特性を示す。
【００６１】
【表１】
2012515254.tif 000011
【００６２】
【表２】
2012515254.tif 000012
【００６３】
８７０では、カーボン−アルミニウム複合材料を取り入れた完成品に基づいた仕様に従って、カーボン−アルミニウム複合材料は機械加工される。幾つかの実施形態において、カーボン−アルミニウム複合材料は熱伝達デバイスに機械加工される。一つの例において、カーボン−アルミニウム複合材料は図９Ａに示す熱延展器９１０の如き熱延展器として利用できる。特に、カーボン−アルミニウム複合材料を機械加工して、基板９３０に結合するコンピュータチップ９２０から熱を消散する熱延展器９１０とすることができる。さらに、カーボン−アルミニウム複合材料は発光ダイオード（ＬＥＤ）に結合する熱延展器として使用し得る。図９Ｂに示す他の例では、カーボン−アルミニウム複合材料９４０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ））の如きコンピュータチップ９６０に絶縁層９７０を介して結合する放熱板９５０と結合し得る。
【００６４】
界面層の技術
プロセスパラメータは、特別にドープした溶融アルミニウム合金による炭素質マトリッ
クスの含浸プロセス用に最適化されている。これらのプロセスパラメータの制御を通して、アルミニウム及び炭素質マトリックス間のナノメータ的界面が創成される。図１０は、炭素質マトリックス及び金属間の界面の含浸及び創成のプロセスを図示する。図１０に示す通り、炭素質マトリックスは細孔及び空隙を有する。この例示アルミニウムにおいて、溶融金属は特定の温度で特定の時間炭素質マトリックスに注入され、溶融金属は炭素質マトリックスの細孔の少なくとも一部を充填する。溶融金属は、シリコンの如き化学的添加剤（図１０にて「Ａ」とラベル付け）を含んでも良い。最初に、金属はまずカーボンに接触して界面を創成する。プロセスの温度及び圧力は、添加剤の少なくとも一部をカーボン／金属界面に拡散させる。プロセス条件の下で反応が起こり、界面でカーバイド材料が生成する。プロセスパラメータ、すなわち温度及び圧力、の制御でアルミニウム及び炭素質マトリックス間の界面が創成する。更に、界面の厚さ及び組成は、プロセス条件が適用される時間に依存し得る。界面は、ナノメータ単位の厚さを有する。反応に寄与しない余剰の添加剤は、アルミニウム内に残留する。
【００６５】
界面を通じたエネルギー移動
熱エネルギー（熱）の移送は、フォノンによって達成される。フォノンは材料内の格子振動である。フォノンは材料の散乱点（材料欠陥）又は縁（界面）に着くまで、材料を経て伝播する。従って、フォノンは欠陥部位に当たるか、材料によって吸収されるか又は外側端に当たるまで続行する。縁界面でフォノンは非常に減少した（放射又は結合）エネルギーで続行できるか、又は反射されて材料に戻れて、乏しいフォノン伝搬及び低い熱移動を齎す。図８に関して記載されている方法を介して生成されるカーボン−アルミニウム複合材料は、図１０に示す通り、複合材料の黒鉛状シートの端にカーボン／アルミニウム界面を含み得る。このように、複合材料のカーボン及びアルミニウム間の境界としてエネルギー障壁が掲げられる。その上、アルミニウムの反射率を得て、フォノンは再び炭素質マトリックス中へ戻され、そこでフォノンは結局熱として吸収され得る。しかしながら、複合材料のカーボン及びアルミニウム間の滑らかな界面層の創成によって、カーボン／アルミニウム界面を亘ってフォノンはより効率的に進み続け得る。
【００６６】
幾つかの実施形態において、複合材料のカーボン及びアルミニウム間の界面の厚さは約１００ナノメートル未満であり、カーボン及びアルミニウム間の界面を亘る効率的なフォノン移送が実現し得る。カーボン及びアルミニウム間の界面の厚さは、界面のどの空隙又は欠陥もと同様に界面を亘るフォノン移送に影響を及ぼし得る。その上、界面の厚さは黒鉛におけるフォノン波長に基づいて設計され、ナノメータ単位の厚さである。カーボン及びアルミニウム界面の厚さは、また、アルミニウム材料中の特定のドーパントの百分率によって影響され得る。特定の実施形態において、ドーパントの低い濃度はアルミニウム及び炭素質マトリックス間の界面の厚さを制御し得て、厚さは約１００ｎｍ未満である。図１１は、黒鉛状カーボンとアルミニウム充填物との間の約１０ナノメートル界面を示す界面層の超高拡大率ＴＥＭ写真である。
【００６７】
図１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃはカーボン−アルミニウム材料の様々な位置で観るＴＥＭ写真である。破線の白い指示線は、秩序ある黒鉛状板からアモルファス界面層へ、そして最後にバルクアルミニウム充填への移送を見せかけるために配置されている。図１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃに示す通り、界面層の厚さは約１０ナノメートル〜約４０ナノメートルの範囲である。
【００６８】
カーボン−アルミニウム複合材料にとって、カーボン−アルミニウム界面の表面積による界面での熱伝導度の寄与は重要であり得る。従って、カーボン−アルミニウム界面の性質は、カーボン−アルミニウム界面の温度特性にとって重要であり得る。カーボン−アルミニウム界面で複合材料の熱挙動に影響し得る一つの要因は材料の「濡れ」に関係し、即ち、黒鉛は表面張力の相違によるアルミニウムに対する乏しい親和力を有する。従って、カーボン及びアルミニウム間の接触を改良して、溶融アルミニウム液冷却プロセスの間に形成し得るどの界面空隙をも減らすことが必要である。
【００６９】
カーボン−アルミニウム界面で複合材料の熱挙動に影響し得る他の要因は、カーバイド形成に関係する。特に、アルミニウムは高温高圧条件で炭素質骨格に充填されるので、アルミニウムカーバイド（Ａｌ4Ｃ3）が界面領域で局所的に形成してもよい。Ａｌ4Ｃ3は乏しい熱伝導度を有し、そしてさらに、易吸湿性であり、黒鉛-アルミニウム界面の表面張力を増大する。
【００７０】
シリコンの如き微量の元素又は化合物を含むがこれらに限定されない適切な添加剤のアルミニウムへの添加は、カーボン−アルミニウム複合材料の温度特性に影響を及ぼし得る。カーボン−アルミニウム複合材料の温度特性に対するシリコンの効果の例は、下記を含み得る：
（ｉ） シリコンの添加はアルミニウムの融点を低減し得て、炭素質骨格への金属含浸のプロセスの間の少ない電力消費に導く。
（ｉｉ） シリコンの添加は溶融アルミニウム液の粘度を低減し得て、多孔性の炭素質骨格のいかなる空隙をも充填することを容易にする。充分な空隙の充填は、複合材料の温度管理挙動を改良できて、更にカーボン−アルミニウム複合材料の材料強度及び頑健性を強化できる。
（ｉｉｉ） シリコン添加剤は界面のシリコン結晶及びシリコン系カーバイドの形成によるＡｌ4Ｃ3を効果的に抑制し得る。Ａｌ4Ｃ3は、もろくて、吸湿性で、低熱伝導度を有する。従って、Ａｌ4Ｃ3の抑制は、カーボン−アルミニウム複合材料の熱伝導、機械的特性、化学的安定性及び耐浸食性を改良し得る。
【００７１】
湿潤性
カーボン材料及び溶融金属は、材料間の乏しい親和力のために、乏しい湿潤性を有し得る。従って、炭素質マトリックスに適用される溶融アルミニウムは炭素質マトリックスの表面を濡らし得ず、高接触角を齎して溶融アルミニウムが共にビードとなる。このように、アルミニウム及び炭素質マトリックス間の接触損失は、アルミニウム及び炭素質マトリックス間の界面に空隙を創成し得る。
【００７２】
シリコンドーパントはアルミニウムの界面エネルギーを変えることができて、その結果、アルミニウムは高接触角でのビーディングアップの代わりに炭素質マトリックスの表面を濡らすことができる。このように、アルミニウムは炭素質マトリックスの空隙を充填することができてもよい。図１３Ａは、カーボン−アルミニウム複合材料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、図１３Ｂは、カーボン−アルミニウム複合材料の対応するエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析写真である。図１３ＢのＥＤＸ写真は、ミクロン長さ尺度でマクロレベル観点からの炭素質マトリックスへのアルミニウムの充填を呈示している。
【００７３】
図１３Ｂは、アルミニウムが効率的に炭素質マトリックスの空隙を充填することを示している。その上、約０％〜１１％の如き少量のシリコンがアルミニウム出発原料に組み込まれ、そして、図１３Ｂの写真はシリコン含有量が矢印で示すようにカーボン及びアルミニウム間の界面の特定地域に集まるように見え、痕跡量のシリコンがカーボン及びアルミニウム界面の近くで沈殿することを示唆している。
【００７４】
アルミニウムカーバイドの抑制
Ａｌ4Ｃ3の形成は、アルミニウム及び炭素質マトリックス間のフォノンカップリング及び伝搬を低下させ、このように複合材料の機械的強度と同様に熱伝導度を低下させる。シリコンドーパントは含浸プロセスの間に添加できて、アルミニウム及び炭素質マトリックス間の界面に移動し、アルミニウムカーバイドの形成を抑制できる。シリコンドーパント及びアルミニウムカーバイド形成間の関係は、以下の反応式によって記載できる：
【００７５】
【数８】
2012515254.tif 000013
【００７６】
ルシャテリエの原理によると、平衡は反応剤又は生成物の濃度に従ってシフトできる。例えば反応１では、シリコンカーバイドが過剰にある場合、反応が右にシフトするとより多くのアルミニウムカーバイドが形成される。反対にシリコンが過剰にある場合、反応は左にシフトしてシリコンカーバイドと、反応条件に従って、生成物としてのＡｌaＳｉbＣcを残す。このように、カーボン−アルミニウム複合材料のシリコン含有量を操作することによって、Ａｌ4Ｃ3形成を抑制することができてもよい。特に、シリコン添加剤は効果的に界面のシリコン結晶及びシリコン系カーバイドの形成によるＡｌ4Ｃ3相を抑制し得る。
【００７７】
図１４にはシリコン、アルミニウム及びカーボンの三成分状態図が示されている。これらの３元素、シリコン、アルミニウム及びカーボン間の反応は、４つの可能な組合せ：アルミニウムシリケート（ＡｌxＳｉy）、アルミニウムカーバイド（Ａｌ4Ｃ3）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）およびアルミニウムシリコンカーバイド（ＡｌaＳｉbＣc）を生成することができる。図１４の状態図は、ＳｉＣ及びＡｌaＳｉbＣcの生成が形成される領域を示す。示した状態図は、周囲圧力での合成用である。濃度及び図線が位置を変更できるものの、同様な相が高圧で存在できる。図１４の状態図によれば、シリコン含有量が増加するに従って、相はＡｌaＳｉbＣc形成にシフトする。例えば、図１４の状態図では、約０．０７〜０．０８のシリコンのモル分率より上ではシリコンカーバイド相は熱力学的に安定しているようになり、界面のアルミニウムカーバイドの生成は効果的に抑制される。図１４の状態図は、Ｙａｇｈｍａｅｅ, Ｍ.Ｓ., Ｋａｐｔａｙ, Ｇによる、「Ｏｎ ｔｈｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｒａｎｇｅ ｏｆ ＳｉＣ ｉｎ Ｔｅｒｎａｒｙ Ｌｉｑｕｉｄ Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ Ａｌｌｏｙ」にて見つけられる。
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｋｆｋｉ.ｈｕ／〜ａｎｙａｇ／ｔａｒｔａｌｏｍ／ｍｉｎ２００１ｊｕｌ／ｋａｐｔａｙ＿ｙａｇｈｍａｅｅ.ｈｔｍ. 
【００７８】
結晶化に際して主要なシリコン相の形成を避けるために、シリコン含有量は共晶濃度未満に保たれるべきである。例えば、図１５のアルミニウム及びシリコン状態図によると、シリコンの共晶濃度は約０．１２２である。従って、幾つかの実施形態において、炭素質マトリックスを含浸するために用いるアルミニウム材料中のシリコンの量は、約５質量％〜１１質量％であってもよい。その結果、溶融アルミニウム中のシリコン濃度の慎重なコントロールによって、Ａｌ4Ｃ3の形成は抑制され得るが、界面層を形成するために利用できる反応剤の量は界面の厚さを制限するために制御されていてもよい。
【００７９】
図１６は、カーボン−アルミニウム複合材料のラマンスペクトルを示すグラフである。データは、複合材料中のカーボン及びアルミニウムの界面近くで集めても良い。この例では、組合せカーボン−アルミニウム複合材料の分析は、７つのピークを含む。図４に関して言及した黒鉛骨格からの４つの主要なピークに加えて、５２０ｃｍ-1を中心とした明白な鋭いピークと、約９８０ｃｍ-1及び約２８８０ｃｍ-1に２つの小さなピークがある。約５２０ｃｍ-1でのピークは結晶シリコンピークである。約９８０ｃｍ-1でのピークは二次結晶シリコンピークである。
【００８０】
アルミニウムの添加前に図４に示される炭素質骨格のラマンスペクトルは、図１６のカーボン−アルミニウム複合材料のラマンスペクトルと比較されてもよい。特に、図１６の約１６２０ｃｍ-1での肩ピークは、図４の約１６２０ｃｍ-1での肩ピークより顕著であり、そして、Ｄ対Ｇバンドの強度比（Ｉｄ/Ｉｇ）は図１６のほぼ０．５に低減されている。これらの特色は、カーボンが金属含浸の後、より秩序立っていることを示唆する。カーボンの付加的秩序は、結晶性黒鉛よりむしろ無定形カーボンと反応しているアルミニウム−カーボン界面領域において凝集しているシリコンによって生成できる（即ち、秩序立ったカーボン）。
【００８１】
図１７は、炭素-アルミニウム複合材料のアルミニウムの豊富な領域のラマンスペクトルのグラフである。 ラマンスペクトルは、図１６の界面領域のラマンスペクトルとほとんど同じピークを示している。しかしながら、シリコンピークの強度は減らされ、カーボン−アルミニウム複合材料において、大部分のシリコン含有量がアルミニウム粒子体よりむしろカーボン−アルミニウム界面領域において累積することを示している。
【００８２】
図１８は、カーボン-アルミニウム複合材料のＸ線回折パターン（ＸＲＤ）のグラフである。幾つかの例では、カーボンの表面エネルギーのために、溶融アルミニウムは自然発生的にカーボンを濡らすことはなく、他の例では溶融アルミニウムはアルミニウム及びカーボン間の界面で、Ａｌ4Ｃ3の形成により高温高圧下で偶発的にカーボンを濡らすこともある。このように、アルミニウムカーバイドが界面でアルミニウム及びカーボンの高濃度により界面で形成される場合、高温高圧下で１００ナノメートル超の厚さを有するアルミニウム及びカーボン間の界面が生成し得る。しかしながら、図１８のＸＲＤデータは、アルミニウムカーバイドがカーボン−アルミニウム複合材料内ではＸＲＤ測定器を使用して検出されないことを示す。使用した測定器は、ＢｅｄｅＤ−３Ｘ線回折計である。実験条件は、４０ｋｅＶ； ２００ｍＡ；前面スリット １ｍｍ；背面スリット ２ｍｍ；黒鉛モノクロメーター；２０〜８０度；０．０２度ステップ；０．５秒の計数時間であった。図１８に示されるカーボン−アルミニウム複合材料のＸＲＤデータは、しかし、シリコンカーバイド及びアルミニウムシリコンカーバイドと関連するカーボンアルミニウムマトリックス内で、カーバイド形成と関連するピークがあることを示す。従って、シリコンの添加は、界面での反応化学を変更することによるアルミニウムカーバイドの形成を抑制することを補助できる。
【００８３】
ＸＲＤピークの概要を下掲の表３に示す。
【００８４】
【表３】
2012515254.tif 000014
【００８５】
図１９は、ＸＲＤピーク識別のための参照ピークのグラフである。容易に識別される主要な幾つかのピークがある。これらは、約２６度におけるカーボンピーク及び、約３８度、約６５度、並びに約７７度におけるアルミニウムピークである。識別されるピークの幾つかは、シリコンカーバイド若しくはアルミニウムシリコンカーバイドのどちらかと一致する。これらのピークの割付は、上記の表３において要約されている。図１９及び表３の参照ピークは、Ｖｉａｌａ, Ｊ.Ｃ., Ｆｏｒｔｉｅｒ, Ｐ., Ｂｏｕｉｘ, Ｊ., による、「Ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ ｐｈａｓｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉａ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ」、１９９０年発行材料科学誌２５、１８４２−１８５０頁に記載されている。アルミニウムカーバイド（Ａｌ4Ｃ3）と関連する観測可能なＸＲＤピークはなく、そのアルミニウムカーバイド形成が界面領域で成功裏に抑制されたことを示唆している。界面でのシリコン系カーバイドは、カーボン−アルミニウム複合材料の熱伝導度を増加し得る。
【００８６】
初期成分の性質の結果として、添加剤の性質及び製造プロセスの条件、カーボン−金属複合材料の性質は、様々な熱伝達応用において使われる強化した温度並びに物理的特性を有するカーボン‐金属複合材料を生成するために制御できる。
2012515254.tif 000015
【図１Ａ】
2012515254.tif 000016
【図１Ｂ】
2012515254.tif 000017
【図２】
2012515254.tif 000018
【図３】
2012515254.tif 000019
【図４】
2012515254.tif 000020
【図５】
2012515254.tif 000021
【図６Ａ】
2012515254.tif 000022
【図６Ｂ】
2012515254.tif 000023
【図７Ａ】
2012515254.tif 000024
【図７Ｂ】
2012515254.tif 000025
【図８】
2012515254.tif 000026
【図９Ａ】
2012515254.tif 000027
【図９Ｂ】
2012515254.tif 000028
【図１０】
2012515254.tif 000029
【図１１】
2012515254.tif 000030
【図１２Ａ】
2012515254.tif 000031
【図１２Ｂ】
2012515254.tif 000032
【図１２Ｃ】
2012515254.tif 000033
【図１３Ａ】
2012515254.tif 000034
【図１３Ｂ】
2012515254.tif 000035
【図１４】
2012515254.tif 000036
【図１５】
2012515254.tif 000037
【図１６】
2012515254.tif 000038
【図１７】
2012515254.tif 000039
【図１８】
2012515254.tif 000040
【図１９】
2012515254.tif 000041
【国際調査報告】
2012515254.tif 000042