JP6876569B2

JP6876569B2 - 金属−炭素粒子複合材

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Description

本発明は、金属マトリックス中に炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子が分散した金属−炭素粒子複合材に関する。

なお、本明細書及び特許請求の範囲では、特に文中に示した場合を除いて、「アルミニウム」の語は純アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む意味で用いられ、「銅」の語は純銅及び銅合金の双方を含む意味で用いられる。

また本明細書では、説明の便宜上、金属−炭素粒子複合材における金属層と鱗片状黒鉛粒子分散層とが交互に複数積層している方向を、複合材の厚さ方向と定義し、複合材の厚さ方向に対して垂直な面及びその方向をそれぞれ複合材の平面及び平面方向と定義する。

金属−炭素粒子複合材は一般に高熱伝導性及び低線膨張性を有している。この種の複合材やその製造方法を開示した文献として次のものがある。

特許第５１５０９０５号（特許文献１）は、シート状又はフォイル状の金属支持体上に炭素繊維を含有する皮膜が形成されたプリフォームを形成し、これを複数積み重ねて積層体を形成し、積層体を加熱圧接することにより、金属−炭素粒子複合材としての金属基炭素繊維複合材を製造する方法を開示している。この方法では、得られる複合材において熱伝導率が高くなるのは炭素繊維が配向した一方向のみである。

特開２０１５−２５１５８号公報（特許文献２）は、金属層と炭素繊維層が交互に且つ積層方向の両最外側にそれぞれ金属層が配置される態様にして複数積層されるとともに、これらの層が拡散接合により接合一体化された、金属と炭素繊維との複合材を開示している。

この複合材では、複合材の厚さ方向の両最外側にそれぞれ配置された金属層（これを説明の便宜上「最外側金属層」という）は、複合材の両最外側金属層の内側に配置された金属層（これを説明の便宜上「内側金属層」という）よりも厚くなっている。その理由は、最外側金属層は、主に、複合材中の炭素繊維が複合材の外面に露出したり複合材の外面から脱落したりするのを抑制するために複合材の外面を保護する保護層としての役割を有しているからである。

特許第４４４１７６８号公報（特許文献３）は、鱗状黒鉛粉末と所定の鱗状金属粉末との混合体を用いて焼結前駆体を形成し、焼結前駆体を焼結することにより、金属−炭素粒子複合材を製造する方法を開示している。この方法では、製造時において金属粉末の取り扱いが難しいし、製造コストが高いという問題がある。

特開２００６−１２３２号公報（特許公報４）は、結晶系カーボン材層と金属層が交互に複数積層され複合化された複合体をホットプレス焼結することにより、金属−炭素粒子複合材としての高熱伝導・低熱膨張複合材を製造する方法を開示している。この方法では、複合体の焼結が難しく、そのため、接合が不十分で接合界面のずれが生じやすいと考えられる。

金属−炭素粒子複合材を開示したその他の文献として、特開２０１５−２１７６５５号公報（特許文献５）がある。

特許第５１５０９０５号特開２０１５−２５１５８号公報特許第４４４１７６８号公報特開２００６−１２３２号公報特開２０１５−２１７６５５号公報

而して、ＳｉＣ等を用いた次世代半導体チップは高温動作が可能である。そのようなチップを冷却する冷却器の構成層の材料は、冷却器の冷却性能を高めるために、より高い熱伝導性（高い熱伝導率）を有していることが望ましい。そこで、この材料として金属−炭素粒子複合材を用いることが考えられる。

しかるに、金属−炭素粒子複合材の炭素粒子として炭素繊維が用いられている場合、複合材は高い成形加工性を有しているが、複合材において熱伝導率が高くなるのは炭素繊維が配向した方向のみであり、そのため、高い熱伝導率を有する複合材の製造は容易ではない。

金属−炭素粒子複合材の炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子が用いられている場合、高い熱伝導率を有する複合材を製造可能であるが、複合材の成形加工性があまり良くないという難点があった。そのため、複合材を例えば曲げ加工すると、複合材を構成する層（即ち、金属層、鱗片状黒鉛粒子層）の剥離や複合材の破断が発生し易かった。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、高い熱伝導率と高い成形加工性を有する金属−炭素粒子複合材を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］金属マトリックスからなる金属層と前記金属マトリックス中に鱗片状黒鉛粒子が分散した鱗片状黒鉛粒子分散層とが交互に複数積層した状態に接合一体化されており、
前記金属層の平均厚さが１２〜１００μｍの範囲であり、
前記鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さが１〜１００μｍの範囲であり、
前記金属層の平均厚さと前記鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さとの比率を１：Ｘとするとき、Ｘが０．１〜１の範囲である金属−炭素粒子複合材。

［２］前記金属マトリックスがアルミニウム又は銅である前項１記載の金属−炭素粒子複合材。

本発明は以下の効果を奏する。

前項１に記載の金属−炭素粒子複合材では、炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子が用いられていることにより、高い熱伝導率を有する複合材を容易に製造することができる。

さらに、金属層の平均厚さが１２〜１００μｍの範囲であり、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さが１〜１００μｍの範囲であり、金属層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子層の平均厚さとの比率を１：Ｘとするとき、Ｘが０．１〜１の範囲であるから、金属層が厚く、これにより複合材の成形加工性を高めることができる。

前項２では、金属マトリックスがアルミニウム又は銅であることにより、複合材の熱伝導率を確実に高めることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の概略断面組織図である。図２は、金属層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子層の平均厚さの算出方法を説明するための同概略断面組織図である。図３は、同複合材の製造方法の流れ図である。図４は、塗工箔を得る工程を説明する概略図である。図５は、同塗工箔の条材を切断するときの概略図である。図６は、積層体の概略正面図である。図７は、同積層体を加圧加熱焼結装置により焼結する場合の概略図である。

次に、本発明の一実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る金属−炭素粒子複合材２０は、金属マトリックス（ドット網掛けで示す）２３からなる複数の金属層（一点鎖線で囲んだ領域）２２と、金属マトリックス２３中に炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子１が分散した複数の鱗片状黒鉛粒子分散層（二点鎖線で囲んだ領域）２１とを含んでいる。金属層２２と鱗片状黒鉛粒子分散層２１は、複合材２０の厚さ方向Ｂの略全体に亘って複合材２０の厚さ方向Ｂに交互に複数積層した状態に配列している。そしてこの状態で、複数の金属層２２と複数の鱗片状黒鉛粒子分散層２１とが接合一体化（詳述すると焼結一体化）されており、これにより複合材２０が形成されている。

複合材２０では、炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子１が用いられているので、複合材２０は詳述すると金属−鱗片状黒鉛粒子複合材である。

各鱗片状黒鉛粒子分散層２１では、鱗片状黒鉛粒子１は金属マトリックス２３中に複合材２０の平面方向Ａに多数分散している。

鱗片状黒鉛粒子１は、なるべく高い熱伝導性を有するもの（例：高熱伝導性鱗片状黒鉛粒子）であることが望ましい。

鱗片状黒鉛粒子１の粒径は限定されるものではないが、鱗片状黒鉛粒子１の最長軸方向の長さを鱗片状黒鉛粒子１の粒径とするとき、金属マトリックス２３中に分散される多数の鱗片状黒鉛粒子１の最長軸方向の平均長さは３００μｍ以上であることが望ましい。この場合、複合材２０の内部において鱗片状黒鉛粒子１と金属マトリックス２３との間の界面熱抵抗を小さくすることができ、これにより、複合材２０の熱伝導率を確実に高めることができる。鱗片状黒鉛粒子１の最長軸方向の平均長さの上限も限定されるものではなく、通常１０００μｍである。

ここで、鱗片状黒鉛粒子１の最長軸方向の平均長さは次の方法により算出される。

ガラス板上に分散した多数の鱗片状黒鉛粒子の中から任意に選択した１００個の鱗片状黒鉛粒子をそれぞれ光学顕微鏡で観察し、各鱗片状黒鉛粒子の最も長い方向の長さを測定する。そして、それらの算術平均値を鱗片状黒鉛粒子の最長軸方向の平均長さとする。

鱗片状黒鉛粒子１のアスペクト比は限定されるものではなく、特にその平均アスペクト比が３０以上であることが望ましい。鱗片状黒鉛粒子１の平均アスペクト比の望ましい上限も限定されるものではなく、通常１００である。

金属マトリックス２３の種類は限定されるものではないが、特に金属マトリックス２３はアルミニウム又は銅であることが望ましい。この場合、複合材２０の熱伝導率を確実に高めることができる。

本実施形態の複合材２０では、炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子１が用いられていることにより、高い熱伝導率を有する複合材２０を容易に製造することができる。

本実施形態の複合材２０において、金属層２２の平均厚さ及び鱗片状黒鉛粒子分散層２１の平均厚さは次の方法により定義される。

図２に示すように、複合材２０をその厚さ方向Ｂに切断した断面について１．５ｍｍ（複合材２０の平面方向Ａ）×１．０ｍｍ（複合材２０の厚さ方向Ｂ）の視野範囲を撮影した断面組織写真において、複合材２０の厚さ方向Ｂに延びるグリッド線６０を複合材２０の平面方向Ａに０．１ｍｍの間隔で１０本引いたとき、一つのグリッド線６０が一つの鱗片状黒鉛粒子１を横断する線分の長さｔを一つの鱗片状黒鉛粒子分散層２１の厚さとして測定し、１０本のグリッド線６０について測定した全ての鱗片状黒鉛粒子分散層２１の厚さの算術平均値を鱗片状黒鉛粒子分散層２１の平均厚さと定義し、また、一つのグリッド線６０が一つの金属マトリックス部分（即ち、当該一つのグリッド線６０が横断する互いに隣り合う二つの鱗片状黒鉛粒子１、１間の部分）を横断する線分の長さＴを一つの金属層２２の厚さとして測定し、１０本のグリッド線６０について測定した全ての金属層２２の厚さの算術平均値を金属層２２の平均厚さと定義する。

ただし、複合材２０の厚さ方向Ｂの両最外側にそれぞれ配置された金属層、即ち最外側金属層は、金属層２２の平均厚さの算出に適用する金属層から除外する。その理由は、最外側金属層は、複合材２０の外面を保護する保護層としての役割を有するようにするため、一般に複合材２０の両最外側金属層の内側に配置された金属層（即ち内側金属層）２２よりも厚くなっていることが多いからである。

本実施形態の複合材２０では、金属層２２の平均厚さは１２〜１００μｍの範囲に設定されており、鱗片状黒鉛粒子分散層２１の平均厚さは１〜１００μｍの範囲に設定されており、金属層２２の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層２１の平均厚さの比率を１：Ｘとするとき、Ｘは０．１〜１の範囲に設定されている。

金属層２２の平均厚さ、鱗片状黒鉛粒子分散層２１の平均厚さ及びＸがそれぞれ上述した範囲に設定されていることにより、複合材２０の熱伝導率を高めることができるし複合材２０の成形加工性（例：曲げ加工性、延性、打ち抜き加工性）を高めることができる。

Ｘが０．１未満である場合、複合材２０中の鱗片状黒鉛粒子１の含有量が少なすぎ、そのため複合材２０の熱伝導率を高める効果に劣る。Ｘが１を超える場合、複合材２０中の鱗片状黒鉛粒子１の含有量が多すぎ、そのため複合材２０の製造が困難になるし複合材２０の成形加工性が悪化する。

金属層２２の特に望ましい厚さは１５〜５０μｍの範囲であり、鱗片状黒鉛粒子分散層２１の特に望ましい厚さは１０〜３５μｍの範囲である。また、Ｘは０．２〜０．７の範囲であることが特に望ましい。

また、複合材２０中の鱗片状黒鉛粒子１の体積含有率は、複合材２０の体積に対して１０〜５０体積％の範囲であることが望ましい。この場合、複合材２０の成形加工性を確実に高めることができる。

複合材２０の製造方法は限定されるものではないが、その望ましい製造方法について図３〜７を参照して以下に説明する。

図３に示すように、複合材２０の製造方法は、塗工箔を得る工程Ｓ１と、積層体を形成する工程Ｓ２と、積層体を焼結する工程Ｓ３とを含んでおり、この記述の順に行われる。

塗工箔を得る工程Ｓ１では、図４に示すように、鱗片状黒鉛粒子１とバインダー２とバインダー２用溶剤３とを混合状態に含む塗工液５を金属箔１０の塗工予定表面１０ａに塗工することにより、金属箔１０の塗工予定表面１０ａに鱗片状黒鉛粒子層１１が形成された塗工箔１２を得る。

本実施形態では、金属箔１０として金属箔１０の帯状条材１０Ａ（即ち帯状の長尺な金属箔１０）が用いられている。

金属箔１０の条材１０Ａの塗工予定表面１０ａは、金属箔１０の条材１０Ａの厚さ方向の両表面のうち少なくとも片側の表面であり、本実施形態では塗工予定表面１０ａは金属箔１０の条材１０Ａの厚さ方向の片側の表面だけである。

金属箔１０の金属材料は、所望する複合材２０の金属マトリックス２３の種類に応じて決定される。すなわち、金属マトリックス２３がアルミニウムマトリックスである場合、金属箔１０としてアルミニウム箔が用いられ、金属マトリックス２３が銅マトリックスである場合、金属箔１０として銅箔が用いられる。

金属箔１０がアルミニウム箔である場合、アルミニウム箔の材質は限定されるものではなく、例えば、純度９９％以上の純アルミニウムやアルミニウム合金である。

金属箔１０が銅箔である場合、銅箔の材質は限定されるものではなく、例えば、純銅や銅合金である。

金属箔１０の厚さは、得られる複合材２０の金属層２２の平均厚さが１２〜１００μｍの範囲になるような厚さであれば良い。ここで、金属箔１０の厚さが１０μｍ以下である場合、金属箔１０の材料コストが高いし金属箔１０のハンドリング性が悪いので、金属箔１０の厚さは１０μｍを超えていることが望ましい。

バインダー２は、鱗片状黒鉛粒子１に金属箔１０の条材１０Ａの塗工予定表面１０ａへの付着力を付与して鱗片状黒鉛粒子１が塗工予定表面１０ａから不慮に脱落するのを抑制するためのものである。バインダー２は通常、有機樹脂などの樹脂からなる。バインダー２として、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、アクリル系樹脂などが用いられる。

溶剤３はバインダー２を溶解するものである。溶剤３として、親水性溶剤（イソプロピルアルコール、水）、有機溶剤などが用いられる。

塗工液５は例えば次のようにして得られる。

すなわち、塗工液５は、鱗片状黒鉛粒子１とバインダー２と溶剤３を混合容器４１内に入れこれらを撹拌混合器４２により混合することにより、得られる。必要に応じて、塗工液５には分散剤（図示せず）、表面調整剤（図示せず）などが添加される。撹拌混合器４２として、ディスパー、プラネタリーミキサー、ビーズミルなどが用いられる。

塗工液５を金属箔１０の条材１０Ａの塗工予定表面１０ａに塗工する方法及び塗工装置は限定されるものではない。例えば、塗工液５の塗工装置として、グラビアコーター、３本ロールコーター（オフセットタイプ）、ナイフコーター、ダイコーター、ロールコーター（２本ロール）、スプレーコーター、カーテンコーター、リバースロールコーターなどが用いられる。

本実施形態では、図４に示すように、塗工液５の塗工は、金属箔１０の条材１０Ａを巻き出す巻出しロール３７ａと金属箔１０の条材１０Ａ（塗工箔１２の条材１２Ａ）を巻き取る巻取りロール３７ｂとを用いたロールｔｏロール方式の塗工装置により行われる。この場合における塗工液５の塗工方法は次のとおりである。

巻出しロール３７ａと巻取りロール３７ｂとの間には、塗工装置３０と乾燥炉３８が金属箔１０の条材１０Ａの送り方向Ｆに並んで設置されている。

塗工装置３０は例えばグラビアコーター（詳述するとダイレクトグラビアコーター）であり、グラビアロール３１、バックアップロール３３、塗工液５をグラビアロール３１の周面３１ａに付着させる塗工液付着手段３５、ドクターブレード３４などを備えている。

グラビアロール３１の周面３１ａにはその全体に亘って多数のセル（図示せず）が整然と配列して設けられている。セルは、格子型セル、ピラミッド型セル、亀甲型セル、円型セル、斜線型セルなどである。

塗工液付着手段３５は、塗工液５を収容した塗工液パン（図示せず）を備えたものであり、グラビアロール３１の周面３１ａの周方向の一部がパン内の塗工液５に接触した状態でグラビアロール３１がその中心軸を中心に回転することにより、グラビアロール３１の周面３１ａにその周方向に塗工液５が付着されるように構成されている。

巻出しロール３７ａから巻き出された金属箔１０の条材１０Ａは、グラビアコーター（塗工装置３０）のグラビアロール３１とバックアップロール３３との間を通過する。この際に金属箔１０の条材１０Ａの塗工予定表面１０ａに塗工液５がグラビアロール３１によって金属箔１０の条材１０Ａの長さ方向（即ち金属箔１０の条材１０Ａの送り方向Ｆ）に連続的に層状に塗工される。これにより、金属箔１０の条材１０Ａの塗工予定表面１０ａに塗工液５からなる鱗片状黒鉛粒子層１１が形成（塗工）された塗工箔１２の条材１２Ａが得られる。

そして、塗工箔１２の条材１２Ａが乾燥炉３８内を通過することにより、鱗片状黒鉛粒子層１１中の溶剤３が鱗片状黒鉛粒子層１１から蒸発除去される。その後、塗工箔１２の条材１２Ａが巻取りロール３７ｂに巻き取られる。

金属箔１０の条材１０Ａの塗工予定表面１０ａへの塗工液５の塗工量は限定されるものではない。特に、塗工液５は、鱗片状黒鉛粒子層１１中の鱗片状黒鉛粒子１の塗工量が１０〜１６０ｇ／ｍ^２（好ましくは２５〜８０ｇ／ｍ^２）になるように塗工予定表面１０ａに塗工されることが望ましい。

積層体を形成する工程Ｓ２は、塗工箔１２が複数積層された状態の積層体１５を形成する工程であり、例えば次のように行われる。

図５に示すように、まず巻取りロール３７ｂから巻き解かれた塗工箔１２の条材１２Ａを切断機４５により所定形状に切断する。これにより、塗工箔１２の条材１２Ａから所定形状（例：略方形状）の塗工箔１２を複数切り出す。すなわち、各塗工箔１２は塗工箔１２の条材１２Ａを切断した切断片からなるものである。

次いで、図６に示すように塗工箔１２を複数積層する。これにより、塗工箔１２が複数積層された状態の積層体１５を形成する。

塗工箔１２を積層する際には焼結補助材としての金属粒子を互いに重なり合う塗工箔１２、１２間に介在させないことが望ましい。この場合、積層体１５の形成を容易に行うことができる。金属粒子としては、金属箔１０と同種の金属粉末などが用いられる。ただし本実施形態では、互いに重なり合う塗工箔１２、１２間に金属粒子を介在させないことに限定されるものではなく、金属粒子を介在させても良い。

積層体１５を形成するための塗工箔１２の積層枚数は限定されるものではなく、所望する複合材２０の厚さなどに対応して設定され、例えば１０〜１０００枚である。

ここで、上記の特開２０１５−２５１５８号公報（特許文献２）に記載の複合材のように、厚さ方向の最外側に保護層としての金属層が配置されている複合材を製造する場合には、同公報に記載のように、塗工箔１２を複数積層する際に、積層体１５の厚さ方向の最外側に保護層用金属箔（当該金属箔は鱗片状黒鉛粒子層等の炭素粒子層を有していない）を積層する。なお、保護層は、複合材２０中の鱗片状黒鉛粒子１が複合材２０の外面に露出したり複合材２０の外面から脱落したりするのを抑制するために複合材２０の外面を保護する役割を有するものであり、その厚さは、通常、塗工箔１２の金属箔１０よりも厚くなっている。

積層体１５を焼結する工程Ｓ３では、積層体１５を所定の焼結雰囲気（例：非酸化雰囲気）中にて一軸加圧しながら加熱することにより焼結し、これにより複数の塗工箔１２を一括して接合一体化（詳述すると焼結一体化）する。

積層体１５の焼結方法は、真空ホットプレス法、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）、熱間静水圧焼結法（ＨＩＰ法）、圧延法などから選択される。

具体的には、図７に示すように、例えば、加圧加熱焼結装置５０の焼結室５１内に積層体１５を配置し、そして所定の焼結雰囲気中にて積層体１５をその厚さ方向（即ち塗工箔１２の積層方向）に加圧しながら所定の焼結条件で加熱することにより積層体１５を焼結する。これにより、図１に示した断面組織を有する金属−炭素粒子複合材２０が得られる。

焼結装置５０は、積層体１５を一軸加圧可能なものであり、例えば当該手段として一対の押圧パンチ５２、５２を備えている。両押圧パンチ５２、５２は互いに対向状に配置されている。

積層体１５への加圧は、両押圧パンチ５２、５２で積層体１５をその厚さ方向に挟んで加圧することにより行われる。したがって、積層体１５の加圧方向とは積層体１５の厚さ方向であり、この方向は複合材２０の厚さ方向（Ｂ、図１参照）と一致している。すなわち、複合材２０の厚さ方向Ｂは積層体１５の加圧方向と一致している。

積層体１５を焼結するための積層体１５の加熱温度、即ち積層体１５の焼結温度は限定されるものではなく、通常、金属箔１０の金属材料の融点以下であり、例えば、金属材料の融点と当該融点よりも約５０℃低い温度との間の温度に設定される。具体的には、金属箔１０が例えばアルミニウム箔である場合、積層体１５の焼結温度は例えば５５０〜６２０℃に設定される。

積層体１５中に存在するバインダー２は、この工程Ｓ３において積層体１５の温度が略室温から積層体１５の焼結温度まで上昇するように積層体１５を加熱する途中で昇華、分散などにより消失して積層体１５から除去される。

この工程Ｓ３では、積層体１５が上述のように加圧加熱されることにより、金属箔１０の金属材料の一部が鱗片状黒鉛粒子層１１内に浸透して鱗片状黒鉛粒子層１１内に存在する微細な空隙（例：鱗片状黒鉛粒子層１１中の鱗片状黒鉛粒子間の隙間）に充填されて、当該空隙が略消滅する。これにより、複合材２０の密度が上昇するとともに複合材２０の強度が向上する。さらに、鱗片状黒鉛粒子１は複合材２０の平面方向Ａに配向する。

また、金属箔１０の金属材料の一部が鱗片状黒鉛粒子層１１内に浸透することによって、各鱗片状黒鉛粒子層１１中の鱗片状黒鉛粒子１は複合材２０の金属マトリックス２３中に複合材２０の平面方向Ａに分散した状態になり、即ち各鱗片状黒鉛粒子層１１は図１に示すように複合材２０の鱗片状黒鉛粒子分散層２１になる。また、各金属箔１０は複合材２０の金属層２２になる。

したがって、複合材２０においては、鱗片状黒鉛粒子分散層２１と金属層２２は、上述したように複合材２０の厚さ方向の略全体に亘って複合材２０の厚さ方向Ｂに交互に複数積層した状態に配列する。

本実施形態の複合材２０は、上述したように高い熱伝導率を有しているので、パワーモジュール用冷却器の構成層の材料に好適に使用可能であるし、リチウムイオン二次電池（ＬｉＢ）の電池の構成部材の材料に好適に使用可能である。なお、パワーモジュールはハイブリッドカー（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、電車などの車両に用いられたり、風力発電、太陽光発電などのエネルギー分野に用いられたりするものである。

複合材２０がパワーモジュール用冷却器の構成層の材料に使用される場合、複合材２０は当該冷却器を構成する複数の層のうち配線層、緩衝層、放熱層（例：ヒートシンク）などの材料に特に好適に使用される。

以上で本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。

次に、本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。ただし本発明は下記実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
実施例１では、金属−炭素粒子複合材を次の手順で製造した。

炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子と、バインダーとしてのポリエチレンオキサイドの３質量％水溶液及びポリビニルアルコールの１０質量％水溶液と、溶剤としてのイソプロピルアルコール及び水と、分散剤と表面調整剤とを混合容器内に入れてディスパーによりこれらを撹拌混合して、塗工液を得た。塗工液の粘度は２５℃で１０００ｍＰａ・ｓであった。

鱗片状黒鉛粒子の最長軸方向の平均長さは３００μｍであり、鱗片状黒鉛粒子の平均アスペクト比は３０であった。塗工液に含まれる鱗片状黒鉛粒子の含有量は、バインダーと鱗片状黒鉛粒子との合計質量に対して９０質量％であった。

アルミニウム箔（Ａｌ箔）の帯状条材の塗工予定表面に塗工液をロールｔｏロール方式のグラビアコーター（詳述するとダイレクトグラビアコーター）により塗工速度２ｍ／ｍｉｎで層状に塗工し、これにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に鱗片状黒鉛粒子層が形成された塗工箔の条材を得た。

アルミニウム箔の条材の材質はＪＩＳ（日本工業規格）アルミニウム合金番号１Ｎ３０（以下、単に「Ａ１Ｎ３０」と記する）であり、その厚さは５０μｍ及びその幅は３００ｍｍであった。また、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面はアルミニウム箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。

そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は８０ｇ／ｍ^２であった。

次いで、塗工箔の条材を正方形状（その寸法：横５０ｍｍ×縦５０ｍｍ）に切断し、これにより塗工箔の条材から正方形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を１２枚積層することで積層体を形成した。

次いで、加圧加熱焼結装置としての放電プラズマ焼結装置（ＳＰＳ装置）により真空雰囲気中にて積層体をその厚さ方向（即ち塗工箔の積層方向）に加圧しながら所定の焼結条件で加熱することにより積層体を焼結した。これにより、金属−炭素粒子複合材としてのアルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは１ｍｍであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して４０体積％であった。

この焼結に適用した焼結条件は次のとおりであった。

焼結温度は６２０℃、焼結温度の保持時間（即ち焼結時間）は３時間、室温からの昇温速度は２０℃／ｍｉｎ、積層体への加圧力は２０ＭＰａ、真空度は３Ｐａであった。また、積層体を室温から焼結温度６２０℃まで加熱する途中で昇温を一旦停止することで、積層体からのバインダーの除去を行った。この際に適用したバインダーの除去条件は次のとおりであった。

バインダーを除去するための積層体の加熱温度は４５０℃、その保持時間は３０ｍｉｎであった。

複合材は、金属マトリックスとしてのアルミニウムが鱗片状黒鉛粒子間に十分に浸透しており、複合材の内部に空隙が殆ど存在しておらず、複合材の密度は複合材の理論密度の９９％であり、複合材の焼結状態は良好であった。

また、複合材の平面方向の熱伝導率は４４２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。

また、複合材をその厚さ方向に切断した断面について１．５ｍｍ（複合材の平面方向）×１．０ｍｍ（複合材の厚さ方向）の視野範囲を光学顕微鏡（倍率：７５倍）により撮影した断面組織写真を用いて、アルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを上述の実施形態に記載の定義に従ってそれぞれ算出した。その結果、アルミニウム層の平均厚さは５２μｍ、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは３３μｍであった。したがって、Ｘは０．６３であった。

また、複合材から５０ｍｍ×１０ｍｍの曲げ加工試験片（厚さ１ｍｍ）を切り出し、当該試験片について曲げ半径３ｍｍの９０°曲げ加工をしたところ、試験片のアルミニウム層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離や破断は見られなかった。

＜実施例２＞
実施例１で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成のアルミニウム箔の条材を準備した。

アルミニウム箔の条材の材質はＡ１Ｎ３０であり、その厚さは１５μｍ及びその幅は３００ｍｍであった。また、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面はアルミニウム箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。

次いで、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に塗工液を実施例１と同じ塗工方法で塗工し、これにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面に鱗片状黒鉛粒子層が形成された塗工箔の条材を得た。

そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は２５ｇ／ｍ^２であった。

次いで、塗工箔の条材から実施例１と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を４０枚積層することで積層体を形成した。

次いで、積層体を実施例１と同じ焼結装置及び焼結条件で焼結し、これにより、アルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは１ｍｍであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して４０体積％であった。

また、複合材の平面方向の熱伝導率は４３６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。

また、複合材のアルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例１と同じ方法でそれぞれ算出したところ、アルミニウム層の平均厚さは１６μｍ、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは１０μｍであった。したがって、Ｘは０．６３であった。

また、複合材から実施例１と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例１と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、試験片のアルミニウム層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離や破断は見られなかった。

＜実施例３＞
実施例１で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成のアルミニウム箔の条材を準備した。

アルミニウム箔の条材の材質はＡ１Ｎ３０であり、その厚さは２０μｍ及びその幅は３００ｍｍであった。また、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面はアルミニウム箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。

そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は１０ｇ／ｍ^２であった。

次いで、積層体を実施例１と同じ焼結装置及び焼結条件で焼結し、これにより、アルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは１ｍｍであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して１７体積％であった。

また、複合材の平面方向の熱伝導率は３２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。

また、複合材のアルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例１と同じ方法でそれぞれ算出したところ、アルミニウム層の平均厚さは２１μｍ、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは４μｍであった。したがって、Ｘは０．１９であった。

＜実施例４＞
実施例１で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成のアルミニウム箔の条材を準備した。

そして、塗工箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより、鱗片状黒鉛粒子層中の溶剤を鱗片状黒鉛粒子層から蒸発除去した。鱗片状黒鉛粒子層の鱗片状黒鉛粒子の塗工量は３６ｇ／ｍ^２であった。

次いで、塗工箔の条材から実施例１と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を３３枚積層することで積層体を形成した。

次いで、積層体を実施例１と同じ焼結装置及び焼結条件で焼結し、これにより、アルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは１ｍｍであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して５０体積％であった。

また、複合材の平面方向の熱伝導率は５２２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。

また、複合材のアルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例１と同じ方法でそれぞれ算出したところ、アルミニウム層の平均厚さは１６μｍ、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは１５μｍであった。したがって、Ｘは０．９４であった。

＜実施例５＞
実施例１で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成の銅箔（Ｃｕ箔）の条材を準備した。

銅箔の条材の材質はＣ１０２０であり、その厚さは５０μｍ及びその幅は３００ｍｍであった。また、銅箔の条材の塗工予定表面は銅箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。

次いで、銅箔の条材の塗工予定表面に塗工液を実施例１と同じ塗工方法で塗工し、これにより、銅箔の条材の塗工予定表面に鱗片状黒鉛粒子層が形成された塗工箔の条材を得た。

次いで、塗工箔の条材から実施例１と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を１２枚積層することで積層体を形成した。

次いで、放電プラズマ焼結装置により真空雰囲気中にて積層体をその厚さ方向に加圧しながら所定の焼結条件で加熱することにより積層体を焼結した。これにより、金属−炭素粒子複合材としての銅−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは１ｍｍであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して４０体積％であった。

複合材は、金属マトリックスとしての銅が鱗片状黒鉛粒子間に十分に浸透しており、複合材の内部に空隙が殆ど存在しておらず、複合材の密度は複合材の理論密度の９９％であり、複合材の焼結状態は良好であった。

また、複合材の平面方向の熱伝導率は５３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、銅の熱伝導率よりも高かった。

また、複合材の銅層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例１と同じ方法でそれぞれ算出したところ、銅層の平均厚さは５３μｍ、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは３３μｍであった。したがって、Ｘは０．６２であった。

また、複合材から実施例１と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例１と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、試験片の銅層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離や破断は見られなかった。

＜比較例１＞
実施例１で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成のアルミニウム箔の条材を準備した。

アルミニウム箔の条材の材質はＡ１Ｎ３０であり、その厚さは６μｍ及びその幅は３００ｍｍであった。また、アルミニウム箔の条材の塗工予定表面はアルミニウム箔の条材の厚さ方向の片側の表面であった。

次いで、塗工箔の条材から実施例１と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を１００枚積層することで積層体を形成した。

また、複合材の平面方向の熱伝導率は４３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。

また、複合材のアルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例１と同じ方法でそれぞれ算出したところ、アルミニウム層の平均厚さは６μｍ、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは４μｍであった。したがって、Ｘは０．６７であった。

また、複合材から実施例１と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例１と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、試験片のアルミニウム層及び鱗片状黒鉛粒子分散層について組織的な剥離と破断が見られた。

＜比較例２＞
実施例１で用いた塗工液と同じ塗工液を準備した。また、金属箔の条材として次の構成のアルミニウム箔の条材を準備した。

次いで、塗工箔の条材から実施例１と同じ寸法及び形状の塗工箔を複数切り出した。そして、塗工箔を２０枚積層することで積層体を形成した。

次いで、積層体を実施例１と同じ焼結装置及び焼結条件で焼結し、これにより、アルミニウム−鱗片状黒鉛粒子複合材を得た。複合材の厚さは１ｍｍであった。また、複合材中の鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は、複合材の体積に対して７０体積％であった。

複合材は、金属マトリックスとしてのアルミニウムが鱗片状黒鉛粒子間にあまり浸透しておらず、複合材の内部において鱗片状黒鉛粒子間とアルミニウム箔間にそれぞれ空隙が存在しており、複合材の焼結状態はあまり良くなく、複合材の熱伝導率を測定することができなかった。

また、複合材のアルミニウム層の平均厚さと鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さを実施例１と同じ方法でそれぞれ算出したところ、アルミニウム層の平均厚さは１６μｍ、鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さは３３μｍであった。したがって、Ｘは２．１であった。

＜比較例３＞
実施例１で用いた鱗片状黒鉛粒子と同じ鱗片状黒鉛粒子を準備した。また、アルミニウムペーストを準備した。アルミニウムペーストは、鱗片状アルミニウム粉末にミネラルスピリット及び脂肪酸が添加された、アルミニウムの固形分が７０質量％のものであった。

次いで、鱗片状黒鉛粒子６１ｇとアルミニウムペースト１６０ｇと１０％ポリスチレン−クメン溶液１００ｇとを混合、混練及び分散してペースト状にした。そして、このペースト状物をドクターブレード法によりＰＥＴシート上にシート成形し、その後、１日の間、風乾した。次いで、ＰＥＴシートを剥がすことによりアルミニウム粉末−鱗片状黒鉛粒子のグリーンシートを製作した。グリーンシートの厚さは１ｍｍであった。

次いで、グリーンシートから実施例１と同じ寸法及び形状のシート素片を複数切り出した。そして、シート素片を１０枚積層することで積層体を形成した。

また、複合材の平面方向の熱伝導率は４４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、アルミニウムの熱伝導率よりも高かった。なお、この複合材では、複合材の平面方向とは積層体の焼結時に積層体を加圧した方向に垂直な方向を意味する。

また、複合材では、金属マトリックスとしてのアルミニウム中に複合材の平面方向に配向した鱗片状黒鉛粒子が三次元的にランダムに分散しており、アルミニウム層の平均厚さ及び鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さをそれぞれ定義することができなかった。

また、複合材から実施例１と同じ寸法及び形状の曲げ加工試験片を切り出し、当該試験片について実施例１と同じ曲げ加工条件で曲げ加工をしたところ、アルミニウムマトリックス組織、及びアルミニウム／鱗片状黒鉛粒子界面について組織的な剥離と破断が見られた。

以上の結果を表１にまとめて示す。

なお、同表中の「曲げ加工試験の評価」欄における符号の意味は次のとおりである。

○：良好
×：不良（破断）

本発明は、金属マトリックス中に炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子が分散した金属−炭素粒子複合材に利用可能である。

１：鱗片状黒鉛粒子
２：バインダー
３：溶剤
５：塗工液
１０：金属箔
１０Ａ：金属箔の条材
１１：鱗片状黒鉛粒子層
１２：塗工箔
１２Ａ：塗工箔の条材
１５：積層体
２０：金属−炭素粒子複合材複合材
２１：鱗片状黒鉛粒子分散層
２２：金属層
２３：金属マトリックス
３０：塗工装置

Claims

金属マトリックスからなる金属層と前記金属マトリックス中に鱗片状黒鉛粒子が分散した鱗片状黒鉛粒子分散層とが交互に複数積層した状態に接合一体化されており、
前記金属層の平均厚さが１６〜１００μｍの範囲であり、
前記鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さが４〜１００μｍの範囲であり、
前記金属層の平均厚さと前記鱗片状黒鉛粒子分散層の平均厚さとの比率を１：Ｘとするとき、Ｘが０．１９〜１の範囲である金属−炭素粒子複合材。
前記金属マトリックスがアルミニウム又は銅である請求項１記載の金属−炭素粒子複合材。