JP2002180356A - 三次元繊維構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が比較的簡単で密度が高く、放熱部材と
して使用する複合材の強化材とした場合に必要な熱伝導
率を有する三次元繊維構造体を提供する。 【解決手段】 三次元繊維構造体１は、三次元織物Ｆに
ロッド２が挿入されて構成されている。三次元織物Ｆ
は、繊維が相互に平行に配列されたｘ糸層３及びｙ糸層
４を複数積層して面内２軸配向となるように形成された
積層糸群５と、積層糸群５の各ｘ糸層３及びｙ糸層４と
直交する方向に配列された厚さ方向糸ｚとを含み、３軸
方向に糸が配列された構成となっている。ロッド２は厚
さ方向糸ｚと平行に挿入されている。ロッド２は炭素繊
維を強化繊維として使用した繊維強化複合材で、三次元
織物Ｆの厚さとほぼ同じ長さに形成されている。各内配
列糸ｘ、ｙ及び厚さ方向糸ｚには炭素繊維が使用されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は三次元繊維構造体に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】繊維強化複合材は軽量の構造材料として
広く使用されている。複合材用補強基材として三次元織
物（三次元繊維構造体）がある。この三次元織物を骨格
材として、樹脂あるいは無機物をマトリックスとした複
合材はロケット、航空機、自動車、船舶及び建築物の構
造材として幅広い用途が期待されている。

【０００３】実公平３−２４３５６号公報には、補強繊
維からなる複数枚の織物が、それら各織物の織目が互い
に一致するように積層され、かつその積層体には、繊維
強化樹脂又は繊維強化金属からなる棒体が前記織目に挿
通された複合材料用三次元繊維組織体が開示されてい
る。

【０００４】また、特開平１１−４９５７８号公報に
は、半導体装置用放熱部材として、黒鉛化カーボンのマ
トリックスに、黒鉛化カーボン長繊維を電子部品搭載面
と平行に２次元面内で直交又は所定の角度に疑似等方で
配列し、さらに電子部品搭載面に垂直な方向に配向した
繊維群を有する黒鉛化カーボン繊維／黒鉛化カーボンの
複合体が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】複合材は一般にマトリ
ックスの量が少ない方が強度は強くなる。従って、三次
元繊維構造体を使用して複合材を構成する場合、三次元
繊維構造体の密度が高い方が複合材の強度が強くなる。
ところが、実公平３−２４３５６号公報に開示された三
次元繊維組織体のように、二次元の織物を積層した状態
で棒体を織目に挿通して三次元化したものでは、層間を
締め付ける力が弱く、形態保持が難しく、取り扱いが難
しい。特に熱伝導率を高める目的で高温焼成処理してグ
ラファイト化を進行させた場合、繊維構造体としての一
体性が損なわれ易い。

【０００６】また、三次元繊維組織体の厚さのコントロ
ールが難しい。なぜならば、棒体挿通後に織物層を圧縮
する場合、棒体の長さを圧縮後の織物層の厚さにする
と、圧縮時に棒体が曲がる虞がある。また、棒体の長さ
を圧縮後の織物層の厚さより長くすると、プレス型とし
て棒体の侵入を許容する孔を有する特殊な型が必要とな
るとともに、圧縮後に棒体を切断する必要がある。

【０００７】また、熱伝導率が高くて強度が優れた複合
材の強化材として、炭素繊維のみで三次元繊維構造体を
構成する場合、炭素繊維は比較的曲げに弱く、三次元織
物を製造する場合に糸（繊維）同士の擦れにより切断し
易く、特に繊維層を結合するための糸が切断し易い。挿
入密度を高くするとこの現象が発生し易い。

【０００８】本発明は前記の従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その第１の目的は、製造が比較的簡
単で密度の高い三次元繊維構造体を提供することにあ
る。また、第２の目的は例えば半導体装置の放熱部材や
電子部品搭載基材として使用する複合材を製造する際の
強化材とした場合に必要な熱伝導率を有する三次元繊維
構造体を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成す
るため請求項１に記載の発明では、少なくとも面内２軸
配向となる糸層を複数積層して形成された積層糸群と、
前記積層糸群の各糸層と直交する方向に配列された厚さ
方向糸とを含む少なくとも３軸で構成された三次元織物
に、繊維強化複合材製または金属製のロッドを挿入し
た。

【００１０】従って、この発明では、三次元織物に、繊
維強化複合材製または金属製のロッドが挿入されている
ため、ロッドの挿入本数を増やすことで、密度の高い三
次元繊維構造体を比較的簡単に製造できる。また、繊維
強化複合材製のロッドを使用した場合は、三次元織物Ｆ
の繊維体積含有率（Ｖｆ）を高くできる。

【００１１】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記ロッドは前記厚さ方向糸と平行
に挿入されている。厚さ方向糸の密度を高めようとする
と、積層糸群の密度が高い所に挿入する必要があり、挿
入時の抵抗が大きくなる。その結果、厚さ方向糸として
炭素繊維等の脆い糸を使用した場合、挿入の際に糸（繊
維）同士の擦れによって糸が切断し易くなる。しかし、
ロッド挿入時の抵抗は厚さ方向糸の挿入時の抵抗に比較
して大幅に低下するため、厚さ方向糸に代えてロッドを
使用して厚さ方向の配向成分を増加させるのが簡単にな
る。

【００１２】前記第２の目的を達成するため請求項３に
記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明に
おいて、前記積層糸群及び前記厚さ方向糸には炭素繊維
が使用されている。ロッドを挿入するための三次元織物
を炭素繊維で構成した場合、炭素繊維は合成樹脂繊維や
他の無機繊維に比較して熱伝導率が高いため、マトリッ
クスとともに複合材を構成した際に複合材の熱伝導率が
高くなる。その結果、半導体装置の放熱部材や電子部品
搭載基材として使用する複合材を製造する際の強化材と
して必要な熱伝導率を確保できる。

【００１３】請求項４に記載の発明では、請求項３に記
載の発明において、前記厚さ方向糸は太さが前記積層糸
群を構成する糸の１／２以下である。炭素繊維は曲げに
弱く、糸（繊維）同士の擦れにより切断し易いため、厚
さ方向糸に太い糸を使用すると、積層糸群に挿入される
際や積層糸群を締め付ける際に、糸が切断し易くなる。
また、厚さ方向糸は針を使用して積層糸群に挿入される
ため、糸が太いと針も太くなり、積層糸群が毛羽立ち易
くなる。しかし、この発明では厚さ方向糸に細い糸を使
用することで、生産性が向上する。

【００１４】請求項５に記載の発明では、請求項３又は
請求項４に記載の発明において、前記ロッドはアルミニ
ウムと同等以上の熱伝導率を有する金属製のロッドであ
る。この場合、半導体装置の放熱部材や電子部品搭載基
材として使用する複合材を製造する際の強化材として使
用した場合、炭素繊維として黒鉛化の進行した特殊な炭
素繊維を使用しなくても、複合材の熱伝導率を高くでき
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
の形態を図１〜図３に従って説明する。図１は三次元繊
維構造体１の一部破断模式斜視図である。三次元繊維構
造体１は、三次元織物Ｆにロッド２が挿入されて構成さ
れている。三次元織物Ｆは、繊維が相互に平行に配列さ
れた糸層としてのｘ糸層３及びｙ糸層４を複数積層して
面内２軸配向となるように形成された積層糸群５と、積
層糸群５の各ｘ糸層３及びｙ糸層４と直交する方向に配
列された厚さ方向糸ｚとを含み、３軸方向に糸が配列さ
れた構成となっている。

【００１６】ｘ糸層３は三次元繊維構造体１の厚さ方向
（図１の上下方向）と直交する面内において、Ｘ方向
（この実施の形態では長さ方向）に沿って配列された第
１の面内配列糸ｘからなり、１本の糸が折り返し状に配
列されて形成されている。ｙ糸層４はｘ糸層３と平行な
面内で第１の面内配列糸ｘと直交する方向（Ｙ方向）に
配列され、１本の糸が折り返し状に配列された第２の面
内配列糸ｙからなっている。各面内配列糸ｘ，ｙは所定
のピッチ（例えば３ｍｍのピッチ）で配列されている。

【００１７】厚さ方向糸ｚは積層糸群５の一方の面（図
１の下面側）で折り返すように上面側から挿入されると
ともに、図２に示すように、下面側において幅方向、即
ち第２の面内配列糸ｙと平行に配列された抜け止め糸６
により抜け止めされている。厚さ方向糸ｚが抜け止め糸
６と共同でｘ糸層３及びｙ糸層４を締め付けることによ
り、各糸層が結合されている。厚さ方向糸ｚも所定のピ
ッチで配列されている。この実施の形態では、厚さ方向
糸ｚは第１の面内配列糸ｘの延びる方向には、各面内配
列糸ｘ，ｙの配列ピッチの２倍のピッチで配列され、第
２の面内配列糸ｙの延びる方向には、各面内配列糸ｘ，
ｙの配列ピッチと同じピッチで配列されている。厚さ方
向糸ｚには太さが各面内配列糸ｘ，ｙの１／２以下、こ
の実施の形態では１／１０程度のものが使用されてい
る。

【００１８】ロッド２は厚さ方向糸ｚと平行に挿入され
ている。ロッド２は厚さ方向糸ｚが挿入されていない位
置に所定ピッチ、この実施の形態では各面内配列糸ｘ，
ｙの配列ピッチの２倍のピッチで配列されている。ロッ
ド２は炭素繊維を強化繊維として使用した繊維強化複合
材で、三次元織物Ｆの厚さとほぼ同じ長さに形成されて
いる。繊維強化複合材のマトリックス樹脂にはフェノー
ル樹脂又はエポキシ樹脂が使用されている。

【００１９】第１の面内配列糸ｘにはピッチ系炭素繊維
が使用されている。ピッチ系炭素繊維の中でもメソフェ
ーズピッチ系炭素繊維が熱伝導率の点で好ましい。第２
の面内配列糸ｙ及び厚さ方向糸ｚにはＰＡＮ系炭素繊維
が使用されている。各炭素繊維はロービング（トウ）の
状態で使用されている。ロービング（トウ）とは細い単
繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束
を意味する。

【００２０】次に前記のように構成された三次元繊維構
造体１の製造方法を説明する。三次元繊維構造体１は、
２段階に分けて製造される。第１段階では、三次元織物
Ｆが、例えば、特開平５−１０６１３９号公報や特開平
８−２１８２４９号公報に開示された方法のように、四
角形状の基板又は枠体に多数のピンが装着されたものを
使用する方法で製造される。即ち、基板又は枠体上にｘ
糸層３及びｙ糸層４を所定数積層して形成した積層糸群
５を、厚さ方向糸ｚと抜け止め糸６とで結合することに
よって形成される。

【００２１】次に第２段階として、前記三次元織物Ｆに
対してロッド２が挿入される。図３（ａ），（ｂ）に示
すように、ロッド２は三次元織物Ｆの一端から、複数本
ずつ第１の面内配列糸ｘの配列方向に沿って１列に並ん
だ状態で順に挿入される。

【００２２】前記のように構成された三次元繊維構造体
１は、マトリックスとしてアルミニウムと同等以上の熱
伝導率の大きな金属を含浸することにより、複合材を製
造し、例えば半導体装置用放熱部材として使用される。
金属としてはＣｕやアルミニウムが使用される。複合材
は所望の大きさ及び厚さの板状に加工され、一方の面に
おいて銀ペーストを介して半導体チップに接合され、半
導体チップとの接合面と反対側にサーマルシートを介し
てヒートシンクが接合された状態で使用される。

【００２３】三次元繊維構造体１にマトリックスとして
金属を含浸させて複合材を製造すると、金属は三次元繊
維構造体１を構成している、各糸ｘ，ｙ，ｚ及びロッド
２の隙間を埋めるように充填される。複合材を放熱材用
に使用する場合、三次元織物Ｆを構成する繊維の熱伝導
率は、一般にマトリックス金属として使用されるＣｕや
アルミニウムより低い。従って、単純に考えると、三次
元繊維構造体１の密度を高めると、即ち各糸ｘ，ｙ，ｚ
及びロッド２の占める体積を高めると、その分金属の割
合が減り、複合材の熱伝導率が低下するように思える。
しかし、ロッド２を挿入した場合、ロッド２に沿って真
っ直ぐに延びる含浸金属の経路ができるため、厚さ方向
の熱伝導率が高くなる。

【００２４】この実施の形態では以下の効果を有する。 （１） 面内２軸配向となる糸層３，４を複数積層して
形成された積層糸群５と、積層糸群５の各糸層３，４と
直交する方向に配列された厚さ方向糸ｚとを含む三次元
織物Ｆに、繊維強化複合材製のロッド２を挿入して三次
元繊維構造体１を構成した。従って、三次元織物Ｆを製
造する段階では厚さ方向糸ｚの挿入密度を高める必要が
なく、ロッド２の挿入本数を増やすことで、密度の高い
三次元繊維構造体１を比較的簡単に製造でき、複合材を
形成した際に強度が高くなる。また、繊維強化複合材製
のロッド２を使用しているため、三次元織物Ｆの繊維体
積含有率（Ｖｆ）を高くできる。

【００２５】（２） 各糸層３，４を構成する面内配列
糸ｘ，ｙがそれぞれ、互いに平行な平面上に配列されて
積層糸群５が構成されているため、積層糸群５を二次元
織物で構成する場合に比較して各面内配列糸ｘ，ｙが真
っ直ぐに延び、補強効果が高くなる。

【００２６】（３） 三次元織物Ｆにロッド２が挿入さ
れているため、二次元織物を単に積層したものにロッド
を挿入した三次元繊維構造体に比較して、複合材を製造
した際に、複合材の剛性が高くなるとともに、厚さ方向
への膨張抑制効果が向上する。その結果、複合材を半導
体装置の放熱部材として使用した場合に半導体装置に過
大な応力が作用するのが防止される。また、金属との複
合材を製造する際、マトリックス金属を含浸させる工程
で繊維組織が乱れ難く、形状安定性が良くなる。

【００２７】（４） ロッド２が厚さ方向糸ｚと平行に
挿入されているため、厚さ方向の配向成分を増加させる
のが簡単になり、マトリックスを含浸させて複合材を製
造した場合、板厚方向に高強度、高弾性率及び低熱膨張
率の材料が得られる。

【００２８】（５） ロッド２の挿入本数を変えること
で、厚さ方向の配向成分の割合を調整できるため、三次
元織物Ｆの製造条件を変えること無く、種々の特性の三
次元繊維構造体１を得ることができ、三次元繊維構造体
１の製造コストを低減できる。

【００２９】（６） 積層糸群５及び厚さ方向糸ｚに炭
素繊維が使用されているため、合成樹脂繊維や他の無機
繊維を使用して三次元織物Ｆを形成した場合に比較し
て、マトリックスとともに複合材を製造した際に複合材
の熱伝導率が高くなる。また、合成樹脂繊維に比較して
板厚方向の力学的特性（強度、弾性率）が向上する。

【００３０】（７） 厚さ方向糸ｚは太さが積層糸群５
を構成する糸（両面内配列糸ｘ，ｙ）の１／２以下で、
この実施の形態ではほぼ１／１０程度である。従って、
曲げに弱く、糸（繊維）同士の擦れにより切断し易い炭
素繊維を厚さ方向糸ｚに使用しても、積層糸群５を締め
付ける際等に、厚さ方向糸ｚが切断し難くなるととも
に、毛羽立ち難くなる。また、厚さ方向糸挿入針の太さ
を細くできるため、挿入抵抗が小さくなり、挿入速度を
高めることにより生産性が向上する。また、図２に示す
厚さ方向糸ｚの折り返しループ７が三次元織物Ｆから飛
び出す量を少なくできる。

【００３１】（８） マトリックスとしてアルミニウム
を使用して複合材を製造した場合、アルミニウムは熱伝
導率がＣｕの６割程度であるが、密度がほぼ１／３のた
め、軽量化に寄与する。また、アルミニウムの融点は６
６０℃とＣｕの融点より４００℃以上低いため、含浸時
の温度を低くでき、溶融に必要なエネルギーが少なくな
る。従って、熱伝導率がさほど要求されない放熱部材と
して使用する複合材では、マトリックスとしてアルミニ
ウムを使用するのが好ましい。

【００３２】実施の形態は前記に限定されるものではな
く、例えば、次のように具体化してもよい。 ○ 三次元繊維構造体１を焼成して、炭素繊維の黒鉛化
を進行させるとともに、ロッド２を炭化させてもよい。
この場合、マトリックス金属を含浸させて複合材を製造
した際に、熱伝導率のより高い複合材が得られる。

【００３３】○ ロッド２に使用する炭素繊維として石
炭ピッチ系炭素繊維を使用すると、複合材を製造した際
に、板厚方向の熱伝導率がより高められた複合材が得ら
れる。

【００３４】○ 三次元織物Ｆを製造可能な柔軟性を有
するピッチ系の炭素繊維を使用して炭素繊維織物を製造
し、ロッド２を挿入後、３０００℃程度の焼成温度で焼
成して炭素繊維の黒鉛化を進行させる。この場合、炭素
繊維の熱伝導率がより向上する。この三次元繊維構造体
焼成物を使用した場合、マトリックスとして金属に代え
て樹脂を使用しても、熱伝導率がさほど要求されない放
熱部材として使用する複合材に使用可能となる。

【００３５】○ 三次元繊維構造体１を熱伝導率の高い
複合材を製造するために使用する場合、ロッド２をアル
ミニウムと同等以上の熱伝導率を有する金属製のロッド
（例えば、Ｃｕやアルミニウム）としてもよい。この場
合、炭素繊維として黒鉛化の進行した特殊な炭素繊維を
使用しなくても、複合材の熱伝導率を高くできる。

【００３６】○ 三次元繊維構造体１を熱伝導率の高い
複合材を製造するために使用するのではなく、複合材の
強度の向上を目的とする場合は、三次元織物の構成繊維
として炭素繊維に代えて、ガラス繊維、アラミド繊維、
セラミック繊維（例えば、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊
維）等の高強度、高弾性繊維を使用してもよい。

【００３７】○ 三次元繊維構造体１を強度及び耐熱性
に優れた複合材を製造するために使用する場合は、三次
元織物Ｆを炭素繊維やセラミック繊維で製造するのが好
ましい。そして、マトリックスをカーボンやセラミック
スとすると、より耐熱性に優れた複合材を製造できる。

【００３８】○ 三次元織物Ｆを構成する積層糸群５
は、少なくとも面内２軸配向となる糸層を複数積層して
形成されていればよい。例えば、第１の面内配列糸ｘに
対して所定の角度（例えば±４５°）で傾斜するように
配列された２層一組のバイアス糸からなるバイアス糸層
を有する面内４軸、合計５軸の三次元織物としてもよ
い。この場合、三次元織物Ｆの形状安定性がより向上す
る。また、積層糸群５を、互いに６０°の角度で交差す
るように延びる３種類の糸で面内３軸に構成してもよ
い。

【００３９】○ 二次元織物を積層することにより積層
糸群５を構成し、二次元織物をステッチ糸で縫い合わせ
て三次元織物Ｆを形成してもよい。二次元織物は平織物
に限らず任意の織物を使用できる。

【００４０】○ ロッド２の断面形状は円形に限らず、
四角形、楕円形等の他の形状としてもよい。積層糸群５
がＸ，Ｙ２軸配向の場合、ロッド２の断面形状を四角形
にすると円形断面のロッド２を使用した場合に比較して
三次元繊維構造体１の密度を高くすることができる。

【００４１】○ 抜け止め糸６を使用せずに、厚さ方向
糸ｚが積層糸群５を一方の側から貫通した後、貫通位置
を所定ピッチずらして他方の側から積層糸群５を貫通す
るように配列してもよい。この場合、抜け止め糸６を使
用する構成に比較して厚さ方向糸ｚを太くでき、三次元
織物Ｆの繊維体積含有率（Ｖｆ）を大きくするために厚
さ方向糸ｚの締め付け力を強くできる。

【００４２】○ ロッド２を厚さ方向ではなくＸ軸方向
あるいはＹ軸方向に挿入してもよい。 ○ 三次元織物Ｆを炭素繊維で形成し、ロッド２を炭素
繊維強化複合材製とした三次元繊維構造体１の使用方法
としては、放熱部材用の複合材に限らず、ブレーキディ
スク用のカーボン・カーボン複合材としてもよい。

【００４３】前記実施の形態から把握できる発明（技術
的思想）について、以下に記載する。 （１） 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の発明に
おいて、前記三次元織物は５軸の三次元織物である。

【００４４】（２） 請求項３又は請求項４に記載の発
明の三次元繊維構造体を焼成して炭素繊維を黒鉛化した
三次元繊維構造体。 （３） 請求項３〜請求項５及び（２）のいずれかに記
載の発明の三次元繊維構造体を強化材に使用して、マト
リックスをアルミニウムと同等以上の金属とした複合
材。

【００４５】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜請求項
５に記載の発明によれば、製造が比較的簡単で密度の高
い三次元繊維構造体を得ることができる。また、請求項
３〜請求項５に記載の発明によれば、例えば半導体装置
の放熱部材や電子部品搭載基材として使用する複合材を
製造する際の強化材とした場合に必要な熱伝導率を有す
る三次元繊維構造体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一実施の形態の三次元繊維構造体の一部破断
模式斜視図。

【図２】 厚さ方向糸の配列状態を示す模式断面図。

【図３】 ロッドの挿入状態を示す一部破断模式斜視図

【符号の説明】

１…三次元繊維構造体、２…ロッド、３…ｘ糸層、４…
ｙ糸層、５…積層糸群、ｚ…厚さ方向糸、Ｆ…三次元織
物。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神谷 隆太 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会 社豊田自動織機製作所内 Ｆターム(参考） 4L048 AA05 AA48 AA52 AC09 AC13 BA22 CA01 CA05 DA41

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも面内２軸配向となる糸層を複
   数積層して形成された積層糸群と、前記積層糸群の各糸
   層と直交する方向に配列された厚さ方向糸とを含む少な
   くとも３軸で構成された三次元織物に、繊維強化複合材
   製または金属製のロッドを挿入した三次元繊維構造体。
2. 【請求項２】 前記ロッドは前記厚さ方向糸と平行に挿
   入されている請求項１に記載の三次元繊維構造体。
3. 【請求項３】 前記積層糸群及び前記厚さ方向糸には炭
   素繊維が使用されている請求項請求項１又は請求項２に
   記載の三次元繊維構造体。
4. 【請求項４】 前記厚さ方向糸は太さが前記積層糸群を
   構成する糸の１／２以下である請求項３に記載の三次元
   繊維構造体。
5. 【請求項５】 前記ロッドはアルミニウムと同等以上の
   熱伝導率を有する金属製のロッドである請求項３又は請
   求項４に記載の三次元繊維構造体。