ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

一般財団法人

金属系材料研究開発センター

2013.2No.316

TODAY

材料の 変 遷 と 持 続 社 会 の 構 築

豊橋技術科学大学
教授 竹市 力
化石資源、中でも石油の枯渇が言われて久しい。
ただし、石油の大部分は精製後に燃やされ、化学原料として利用されている石油は一部にすぎない。それでも石油の枯渇と高騰で、高分子についても再生可能原料を求める動きが高まっている。微生物が作ってくれるバイオポリエステル、ポリ乳酸などデンプンを発酵させてつくるバイオ高分子、あるいはケナフなどの天然繊維で強化したバイオコンポジットなど、研究開発は枚挙にいとまがない。
これまで人類は幾多の材料の変遷を経験してきた。例えば、16 世紀以降ヨーロッパでは製鉄、造船、塩の製造等に木が大量に用いられたため、森林が伐採され、破壊された。製鉄産業においては、木材由来の木炭に替わって石炭由来のコークスを使用することで、環境破壊は食い止められたそうである。以来、鉄はその優れた物性から幅広い分野で使用され、“ 産業の米 ” とも “ 鉄は国家なり ” と呼ばれるほどとなり、戦後日本の復興と高度経済成長を支えた。製鉄・鉄鋼業はものづくり立国日本の象徴的な基幹産業でもあった。
鉄の大きな欠点は重いことである。重い車は燃費が悪い。燃費の良い車への期待は大きく、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車なども登場しているが、燃費向上には車の軽量化が有効である。電気自動車に用いられているバッテリーは重いので、軽量化のためにプラスチック、あるいは炭素繊維で強化したプラスチック（CFRP）の使用が検討されている。車に先駆けて、航空機では CFRP が大幅に使用されるようになっている。ボーイング社の最新鋭機
B787 では構造部材の 50％が CFRP である。エアバス社でも最新の A380 に次いで近々登場する A350
では CFRP が大量に使用されるようである。
このように軽量を誇るプラスチックへの期待は大1

きいが、実はプラスチックの歴史、さらには高分子科学の歴史は非常に新しい。人類は有史以前から天然にある高分子を物理的に加工して使用してきた。
しかしそれら綿、麻、絹、羊毛、紙、ゴムなどが高分子であることはわかっていなかった。高分子に化学の手が加えられたのは 1830 年代からと、実に最近である。高分子が細くて長い分子でできていることが分かったのは、なんと 1920 年代である。高分子科学の歴史はまだ 100 年にも満たない。
それにもかかわらず、合成高分子であるプラスチックは軽くて、成形が容易で、種類が多くて安価なため、金属やセラミックスが使用されていた部材と置き換えたり、新しい用途が見出されて大量に使用されるに至った。我々の身の回りの日用品だけでなく、最近は携帯機器の小型化・高性能化に貢献して我々の生活を豊かで便利にしてくれている。そればかりか、人工衛星や宇宙ヨット「イカロス」などの宇宙開発も合成高分子なくして成立しない。
しかし、ここに来て脱石油の動きが出てきた。それでは、石油や石炭などの化石資源に依存しないで高分子が合成できるであろうか。炭酸ガスを原料とする高分子も含め、バイオ高分子が研究の上では花盛りである。しかし、” バイオ “ に頼る限り、その生産量には限度があることをしっかりと認識すべきである。製鉄産業において、鉄鉱石の還元に使う炭素源を木炭（すなわち再生資源）からコークス ( 化石資源 ) に変換することで環境破壊が食い止められた歴史を忘れてはならない。
地球上では人口が増加しているうえに、先進国だ
けでなく、発展途上国においても、人類は快適な生活を求め、必要以上にエネルギーやモノを消費している。宇宙の誕生は 137 億年前、地球の誕生は 46億年前と言われている。歴史は繰り返し、いずれはるか将来にはこの宇宙が収縮し、再びビッグバンが起こるとも言われている。地球にも寿命があるが、人類が自ら地球を痛めつけるのではなく、できる限り長い間、持続して共存できるライフスタイルを構築したいものである。そのためには、省エネ、石油代替エネルギーの開発と利用、リサイクルの徹底と拡大、真に地球環境に優しい高分子材料の開発等が積極的に推進されることを願ってやまない。

JRCM REPORT

平成 23 年度戦略的基盤技術高度化支援事業中間報告
新規高熱伝導性複合材料を用いる環境に優しい LED 放熱部品の研究開発㈱髙木化学研究所顧問

高木 紀彰（同計画 PL）、主任研究員

松山 一夫

１．はじめに
表１．グラファイトフィラー充填エンプラ樹脂成形品の諸物性⴫㧝㧚ࠣ࡜ࡈࠔࠗ࠻ࡈࠖ࡜࡯లႯࠛࡦࡊ࡜᮸⢽ᚑᒻຠߩ⻉‛ᕈ
電子機器の高性能化、高機能化、ࠣ࡜ࡈࠔࠗ࠻ᾲવዉᕈࡈࠖ࡜࡯
小型化、利用範囲の拡大に伴い、使㧔ዉ㔚ᕈ㧕
用される半導体素子が関係する熱のࡈࠖ࡜࡯Ớᐲ YV 㧟㧜㧡㧜㧣㧜
問題が大きな課題となっており、こኒᐲ㧔IEO 㧕㧝㧚㧠㧞㧝㧚㧣㧜㧝㧚㧣㧡の熱の除去について、材料面、構造ᾲવዉ₸ 9O- 㧝㧚㧜㧡㧡㧚㧠㧟㧢㧚㧜㧜
面など様々な視点から検討がなされ㧙㧣㧙㧣㔚᳇વዉᐲ ǡEO⴫㕙 㧝㧜 એਅ 㧝㧜 એਅ 㧜㧚㧜㧜㧣ている。有機高分子は、成形・加工ᦛߍᦛߍᒝᐲ/2C㧠㧡㧠㧞㧠㧜
が容易で、軽量化に寄与でき、環境⹜㛎 ᦛߍᒢᕈ₸ )2C 㧡㧚㧟㧣㧚㧜㧝㧝
変化に係る使用条件に合わせた様々な改良が容易であることから、大き
導率は 0.1 ～ 0.5 Ｗ／ｍＫと低い。このため、通な期待がもたれている。しかしながら、有機高分常の方法で得られたフィラー充填樹脂成形品は子は、熱伝導性が極端に低いため、熱伝導性パス極めて低い熱伝導率のものしか得られない。表１が遮断され、セラミックス等の高熱伝導性フィラーには、通常の成形方法によって得られたグラファとの複合化を図っても、高熱伝導性フィラーの特イトフィラー充填エンプラ樹脂成形品の熱伝導徴を十分に発揮できない。
率、電気伝導度および曲げ試験の結果を示すが、弊社は、NEDO 委託事業平成 18 年度地域研究開フィラー濃度が 70 重量％と高いものでも、６Ｗ発技術シーズ育成調査において高熱伝導性複合材／ｍＫのものしか得られず、十分な熱伝導性パ料の調査を行い、この分野におけるニーズが高く、スが形成できず、従って、電気伝導度も低い値益々深化していることを認識し、弊社単独で研究となっている。
開発を進めてきた。しかし、単独での開発には限本研究開発では、高熱伝導性フィラー、樹脂な界があり、豊橋技術科学大学およびあいち産業技どの原料の選択、フィラーと樹脂のモルフォロ術総合センターとの協力のもとに計画立案し、一ジーの制御などによって、熱伝導性の無限大クラ
般財団法人金属系材料研究開発センター（JRCM）
スターの形成に成功し、今までにない樹脂の高からご指導を得てプロジェクト化し、平成 23 年度
熱伝導化と、樹脂の優れた特徴を生かした新規戦略的基盤技術高度化支援事業に採択された。まな高熱伝導性材料を開発することができました。
だ、中途ではありますが、新規高熱伝導性複合材開発したフィラー高充填エンプラ樹脂成形品の料について、いくつかの知見が得たので、以下に上部および側面からの外観を図１に示し、諸物性中間報告する。
２．プロジェクトの構成
本研究開発は、事業管理機関 JRCMのもとに、豊橋技術科学大学には基盤研究、あいち産業科学技術総合センターには成形加工・評価技術の支援を受けて、㈱髙木化学研究所が中心となって研究開発を進めている。
３．新規高熱伝導性複合材料の研究
開発結果の概要
高熱伝導性フィラーは、50 ～ 200Ｗ／ｍＫと高い熱伝導率を示すが、有機高分子（樹脂とも称す）の熱伝JRCM NEWS No.316(1) 導電性 (2) 絶縁性 (3) 絶縁 / 導電性 (4) 絶縁 / 導電性
単一材料
単一材料
２層材料
４層傾斜材料（成形品：40 ｍｍ× 40 ｍｍ× 10 ｍｍ）
図１．本研究開発によって得られた樹脂成形品の外観2

表２．導電性または絶縁性単一材料に基づく新規樹脂成形品の諸物性を、表２および３に示した。
⴫㧞㧚ዉ㔚ᕈ߹ߚߪ⛘✼ᕈන৻᧚ᢱߦၮߠߊᣂⷙ᮸⢽ᚑᒻຠߩ⻉‛ᕈ
側面からの外観では、絶縁 ࠣ࡜ࡈࠔࠗ࠻ ࠮࡜ࡒ࠶ࠢࠬ
ᾲવዉᕈࡈࠖ࡜࡯
／導電性２層材料および４㧔ዉ㔚ᕈ㧕㧔⛘✼ᕈ㧕
層傾斜材料には、それぞれ、ࡈࠖ࡜࡯Ớᐲ YV 㧢㧜㧣㧡㧥㧜㧣㧡
㧥㧜
２ｍｍおよび１ｍｍの上部
ኒᐲ㧔IEO㧕㧝㧚㧢㧣 㧝㧚㧤㧥 㧝㧚㧥㧤 㧝㧚㧥㧡 㧝㧚㧥㧢
絶縁層が見られる。密度は、ᾲવዉ₸ 9O- 㧟㧝㧚㧞 㧠㧜㧚㧞 㧢㧝㧚㧞 㧝㧣㧚㧡 㧞㧠㧚㧜
成形品の重量と体積から、⴫㕙 㧝㧚㧟㧥 㧞㧥㧚㧥 㧢㧠㧚㧡 㧝㧜㧙㧣એਅ 㧝㧜㧙㧣એਅ㔚᳇વዉᐲ
熱伝導率はホットディスクǡEO  ᢿ㕙 㧜㧚㧢㧝 㧟㧚㧠㧡 㧝㧟㧚㧢 㧝㧜㧙㧣એਅ 㧝㧜㧙㧣એਅ法により、電気伝導度は四ᾲ⤘ᒛଥᢙ  ͠  㧝㧥㧚㧥 㧣㧚㧢㧞 㧞㧚㧜㧢 㧝㧤㧚㧞 㧣㧚㧢㧟
探針法、熱膨張係数は熱機ᦛߍᦛߍᒝᐲ /2C 㧠㧝㧟㧥㧠㧣㧠㧢㧟㧜㧚㧜
械分析装置（TMA）により、
⹜㛎 ᦛߍᒢᕈ₸ )2C  㧞㧚㧠 㧟㧚㧥 㧟㧚㧣 㧝㧜㧚㧞㧣㧚㧢
曲げ試験は JIS 法に準拠して測定した。 表２より、密度、熱伝導率および電気表３．導電性または絶縁性材料の多層一体成形に基づく新規樹脂成形品の諸物性⴫㧟㧚ዉ㔚ᕈ߹ߚߪ⛘✼ᕈ᧚ᢱߩᄙጀ৻૕ᚑᒻߦၮߠߊᣂⷙ᮸⢽ᚑᒻຠߩ⻉‛ᕈ伝導度はグラファイト濃 ࠮࡜ࡒ࠶ࠢࠬ ࠮࡜ࡒ࠶ࠢࠬ
度 と 共 に 増 加 し、 熱 伝 導ᾲવዉᕈࡈࠖ࡜࡯ࠣ࡜ࡈࠔࠗ࠻ 㧝ጀ  ࠣ࡜ࡈࠔࠗ࠻ 㧟ጀ 
率 は 90wt ％ で は 61.2 Ｗࡈࠖ࡜࡯Ớᐲ㧔YV㧑㧕㧥㧜㧥㧜࠮࡜ࡒ࠶ࠢࠬጀ
／ｍＫという高い値を示ጀỚᐲ㧔XQN㧑㧕㧞㧜㧝㧜し た。 電 気 伝 導 度 は 表 面ࡈࠖ࡜࡯Ớᐲ㧔YV㧑㧕㧢㧜㧥㧜਄ጀと 断 面 で 異 な り、 異 方 性ጀỚᐲ㧔XQN㧕㧤㧜㧟㧜を 示 し た。 熱 膨 張 係 数 はࡈࠖ࡜࡯Ớᐲ㧔YV㧑㧕㧙㧣㧡ࠣ࡜ࡈࠔࠗ
ਛጀ
グラファイト濃度によっ࠻ጀጀỚᐲ㧔XQN㧑㧕㧙㧟㧜て制御できることがわかࡈࠖ࡜࡯Ớᐲ㧔YV㧑㧕㧙㧢㧜ਅጀり、 セ ラ ミ ッ ク ス お よ びጀỚᐲ㧔XQN㧑㧕㧙㧟㧜
金属との熱膨張係数の差ኒᐲ㧔IEO㧕㧝㧚㧢㧞㧝㧚㧣㧥
をほとんどなくすことが࠮࡜ࡒ࠶ࠢࠬ஥㧞㧟㧚㧞㧞㧞㧚㧠ᾲવዉ₸ 9O- 
可 能 で あ る。 曲 げ 試 験 のࠣ࡜ࡈࠔࠗ࠻஥㧞㧡㧚㧟㧞㧜㧚㧟
結 果 は、 通 常 得 ら れ る も࠮࡜ࡒ࠶ࠢࠬ஥㧝㧜㧙㧣એਅ㧝㧜㧙㧣એਅ
㔚᳇વዉᐲのと同レベルの機械的強ࠣ࡜ࡈࠔࠗ࠻஥㧟㧟㧚㧢㧣㧚㧥㧟ǡEO  度を維持していることが㧙㧣ᢿ㕙㧝㧜 એਅ㧝㧜㧙㧣એਅわ か る。 高 熱 伝 導 性 フ ィᦛߍ⹜㛎ᦛߍᒝᐲ /2C 㧝㧡㧟㧣
ラ ー と し て、 セ ラ ミ ッ ク㧔࠮࡜ࡒ࠶ࠢࠬ஥߆ࠄജ㧕 ᦛߍᒢᕈ₸ )2C 㧝㧚㧝㧞㧚㧞スを用いた場合、90wt％で 24.0 Ｗ／ｍＫという高度は、セラミックス側からの測定では絶縁性を、い値が得られた。電気伝導度は、10- ７( Ω cm)-1 以
グラファイトからの測定では導電性を示し、断面下となっているが、測定限界以下であり、実際は-10-1では表面と同様に絶縁性を示した。セラミックス
もっと低い値、10 ( Ω cm) 以下であると推測さ／グラファイトを接着剤で接合したものの熱伝導れ、かなり高い絶縁性を保持している。
率が４Ｗ／ｍＫであるので、一体成形により著し
表３は、表１のデータをベースにして、セラミッく改善されることがわかる。
クスとグラファイトの多層一体成形品を試作し、表３の右欄には、セラミックス（１層）／グラファその特性を示したものである。セラミックス／グイト（３層）からなる４層一体成形品であり、セラファイト２層成形品は、厚さ 10 ｍｍのうち、ラミック層の厚さは１ｍｍである。セラミックス
セラミックス層の厚さは２ｍｍであり、セラミッ側からの熱伝導率は 22.4 Ｗ／ｍＫ、グラファイ
クス側から測定した熱伝導率は 23.2 Ｗ／ｍＫとな
ト側からの熱伝導率 20.3 Ｗ／ｍＫとなり、グラり、セラミックス単一材料とほぼ同程度の値となっファイト側からの熱伝導率が若干低い値となった
た。また、グラファイト側から測定した値は 25.3が、電気伝導度からはセラミックス側および断面Ｗ／ｍＫとなり、グラファイト単一材料の値よりは２層一体成形品と同様に絶縁性である。曲げ試もわずか低いものとなった。セラミックス／グラ験の結果は、セラミックス層が薄く、グラファイファイト界面が存在するにもかかわらず、機械強ト層に傾斜機能を付与することによって大幅に改度は低下しているが、一体成形により熱伝導率は善された。
単一材料とほぼ同程度の値が得られた。電気伝導JRCM NEWS No.316

3謝辞
本研究開発は、平成２３年度採択の経済産業省戦略的基盤技術高度化支援事業に係るものであり、事業管理機関の一般財団法人金属系材料研究開発センターをはじめ、共同で研究開発を進めている国立大学法人豊橋技術科学大学竹市力教授（同計画 SPL）、松本明彦教授、あいち産業科学技術総合センター高橋勤子主任、株式会社髙木化学研究所などの関係する多くの方々のご尽力に謝意を表します。

４．まとめと今後の展開
原料の選択、モルフォロジー制御などによって、金属並みの樹脂の高熱伝導化に成功し、軽量化、絶縁性／導電性材料の一体成形、傾斜機能材料化、熱膨張係数制御など、樹脂のもつ特徴を最大限に生かすことを可能とし、半導体素子周辺材料として有用であることを見出した。今後は、当該材料のさらなる高度化を図ると共に、グラファイト－樹脂複合材料の有する高い熱輻射率を有効に活用した放熱部品の開発を進める。

日本鉄鋼協会からのお知らせ

16:45 – 17:15「鉄スクラップの現状と電気炉での使用方法」

シンポジウム「資源・環境制約下での素材」（社）日本鉄鋼協会

トピー工業株式会社

上手研二氏

17:15 – 17:45

環境・エネルギー・社会工学部会若手フォーラムは、循環型社会の形成に向「劣質化鉄資源対応型製鋼プロセス技術」

けて、金属リサイクルの促進、それに伴って生じ東京工業大学

うる技術課題の解決、あるいは、それらを支援す

申込・問合せ先：るための社会システムや法制度の在り方について、

東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻

若手研究者が幅広く議論する場として平成 22 年

特任准教授

度より 3 年間活動してきました。活動の総括とし

TEL：03-5841-8652て、資源制約や素材リサイクルをテーマとしたシE-mail：sympo@mfa.t.u-tokyo.ac.jp

小林能直氏

醍醐市朗
FAX：03-5841-8651

ンポジウムを開催させていただきます。
日程：2013 年 2 月 21 日（木）15：00 －17：45
場所：フクラシア東京ステーション

6階

A 会議室
主催：
（社）日本鉄鋼協会

環境・エネルギー・社

会工学部会若手フォーラム
共催：（社）日本鉄鋼協会

自動車リサイクル研究会
司会：東京大学大学院工学系研究科

特任准教授

醍醐市朗
15:05 – 16:05
特別講演「鉄鉱石と製鉄・製鋼技術の変遷とこれから（仮題）」
稲角技術士事務所

稲角忠弘氏

16:05 – 16:35
招待講演「銅製錬とリサイクル」
東北大学

柴田悦郎氏

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS ／第 316 号

発 行
発行人発行所2013 年 2 月 1 日
小紫 正樹
一般財団法人 金属系材料研究開発センター〒 105-0003 東京都港区西新橋一丁目 5 番 11 号 第 11 東洋海事ビル 6 階

T E L (03)3592-1282（代）／ FAX (03)3592-1285
ホームページ URL http://www.jrcm.or.jp/
E-mail jrcm@oak.ocn.ne.jp

内容に関するご意見、ご質問は JRCM 総務企画部までお寄せください。
本書の内容を無断で複写・複製・転載することを禁じます。

4