高导热性复合材料的制作方法

专利名称：高导热性复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能的高导热性复合材料，该复合材料是通过由金属材料形成 的基质中混合气相生长碳纤维(VGCF)等纤维状碳材料，从而除了基质本来就具有的各种 特征，还对基质赋予了优异的导热性、导电性、机械性质等。
背景技术：
作为纤维状碳材料已知的有碳纳米管(CNT)和气相生长碳纤维(VGCF)。碳纳米管 和气相生长碳纤维都是由石墨烯(gr即hene)构成的极细的管状结构体，如下文所述，根据 层叠结构以及由此导致的纤维直径的不同进行区分。 所述的石墨烯是二维规则地配列6个碳原子构成的蜂窝结构的网络，也称作碳六
边形网面，而规则地层叠该石墨烯形成的物质也称作石墨。由该石墨烯构成的单层或多层，
且极细的管状结构体是纤维状碳材料，还包括碳纳米管或气相生长碳纤维。 也就是，碳纳米管是石墨烯巻曲为圆筒状的无缝管，包括单层的碳纳米管和同心
圆形层叠的多层碳纳米管。单层的也称作单层纳米管，多层的也称作多层纳米管。 另外，气相生长碳纤维是石墨烯巻曲为圆筒形的单层或多层的石墨烯管，也就是
芯部具有碳纳米管，石墨层叠在石墨烯管的直径方向，从而多重且多边形地包围该芯部所
形成的结构，根据这种结构也称作超多层碳纳米管。 换而言之，存在于气相生长碳纤维的中心部的单层或多层的碳管是碳纳米管。
已经大量提出了复合材料，这些复合材料是在金属或陶瓷以及它们的混合物中含 有这种纤维状碳材料，产生金属或陶瓷的特征，同时通过使用纤维状碳材料来提高导热性、 导电性、机械性质，复合材料中的一种是专利文献1所记载的含有CNT的铝复合材料。
专利文献1 :W02005/040067A 该复合材料是本发明人之前开发的，是以铝粉末的放电等离子体烧结体为基质， 在该基质中混合碳纳米管形成的。铝的导热性高，适合作为高导热性复合材料的基质。但 是，在复合材料的制作工艺中，如果铝熔融，则该铝和碳纳米管反应，生成Al-C，材料强度明 显降低。因此，铝适合作为粉末烧结法的基质。 在粉末烧结法中，由于在熔点以下的固相扩散，粉末颗粒之间接合，由此，没有生 成A1-C的危险。但是，制造的粉末烧结体含有少量气孔，成为降低导热性的原因。解决该 问题的方法是放电等离子体烧结法。 放电等离子体烧结法也称作脉冲通电法或脉冲通电加压烧结法，通过利用粉末颗 粒间产生的高温等离子体，提高邻接的粉末颗粒间的密合性，使烧结体中的气孔率无限接 近O，而且颗粒表面的氧化物消失，有助于提高基质自身的导热性和提高基质与纤维状碳材 料间的导热性。 在基质中作为传热促进材料含有的纤维状碳材料在组合直径比碳纳米管更大的 气相生长碳纤维时，导热性进一步提高，这一方面从最近的研究可以知悉。气相生长碳纤维 由于比碳纳米管更粗长，所以容易在特定方向取向，提高取向方向的导热性的效果特别优巳 升° 然而，即使使用铝粉末的放电等离子体烧结体作为基质，在该基质中含有气相生 长碳纤维并取向的复合材料，为了确保高的导热性，气相生长碳纤维的含量也必须相当的 高。例如，作为基质的铝粉末的放电等离子体烧结体单体的热传导率约为200W/mK。为了使 该值为2倍约400W/mK，必须含有50体积％的气相生长碳纤维。 由于纤维状碳材料很昂贵，所以其用量增加直接导致复合材料的成本升高，所以 希望可以开发出使用少量的纤维状碳材料、有效地提高热传导率的技术。

发明内容
本发明的目的在于提供含有纤维状碳材料来有效地提高导热性的改善效果的高 导热性复合材料。 为了实现上述目的，本发明人关注含有纤维状碳材料的铝复合材料的基质。如前 所述，铝粉末的放电等离子体烧结体作为这种基质是有效的。然而，对于放电等离子体烧结 体而言，邻接的粉末颗粒间和粉末颗粒与纤维状碳材料之间并非完全接合。也就是，放电等 离子体烧结体的气孔率并不是0。 在这种情况下，本发明人考虑到在縮小放电等离子体烧结体的粉末颗粒间以及粉
末颗粒和纤维状碳材料间残留的少量空间方面对导热性有改善余地，计划在该空间填充第
3种材料，在作为基质形成材料的铝粉末中混合A1-Si合金，进行放电等离子体烧结，研究
制造的含有纤维状碳材料的铝复合材料的各种性质。结果判定下述事实。 在为不含纤维状碳材料的基质单体时，通过在铝粉末中混合A1-Si合金粉末，放
电等离子体烧结体的导热性略微降低。然而，在该基质中混合纤维碳材料时，通过往铝粉末
混合Al-Si合金粉末，可以提高导热性。这可以认为是因为与作为基质母材的铝的烧结温
度相比，Al-Si合金的熔点更低，在母材金属粉末烧结的过程中，Al-Si合金粉末熔融，填充
到邻接的母材粉末颗粒间和母材粉末颗粒与纤维状碳材料间，复合材料的气孔率降低。 此外，还可以认为Al-Si合金与铝相比，和纤维状碳材料的润湿性良好，这也有助
于提高热传导率。 本发明的高导热性复合材料是以该认识为基础完成的，特征在于在由金属基质 和纤维状碳材料的混合物形成的高导热性复合材料中，前述金属基质是以烧结原料粉末和 金属粉末助剂的混合粉末为原料的金属粉末烧结体，其中金属粉末助剂由与原料粉末金属 同系统且熔点比原料粉末的烧结温度更低的合金形成。 在本发明的高导热性复合材料中，用于形成金属基质的烧结原料粉末包含金属粉 末助剂，该金属粉末助剂由与原料粉末金属同系统且熔点比原料粉末的烧结温度更低的合 金形成，所以在原料粉末的烧结过程中，混合到其中的低熔点的金属粉末助剂熔融，填充到 邻接的原料粉末颗粒间以及原料粉末颗粒和纤维状碳材料间，气孔率降低，从而提高导热 性。 本发明的高导热性复合材料中，重要的金属粉末助剂的熔点很重要，与组合到其 中的烧结原料粉末的烧结温度相比，优选低3(TC以上，特别优选低5(TC以上。如果该温度 差过小，则金属粉末助剂的熔融或者扩展、润湿性不足，可能会残留微细气孔。成为金属粉 末助剂的合金根据合金元素量，熔点复杂地变化，所以选择合金元素量以得到所希望的熔点。温度差的上限没有特别的限定，但是如果温度差过大，则有熔融的助剂的流动引起不均 匀等问题。另外，为了降低助剂合金的熔点，可能导致合金元素量变多，合金元素可能会给 复合材料的导热性等带来不良影响。因此，烧结温度和熔点的温度差优选为15(TC以下。
作为形成基质的烧结原料粉末可以列举出例如铝和铝合金、钛和钛合金、铜和铜 合金、镍和镍合金等，从导热性、机械强度、烧制性等方面出发，优选纯铝粉末或3003等 Al合金粉末。组合到铝中的金属粉末助剂是熔点比原料粉末的烧结温度更低的Al合金 (Al-Si合金、A1-Mg合金等)，从对纤维状碳材料的润湿性等方面出发，优选为Al-Si合金， 特别优选Al-10Si合金、Al-12Si合金。另外，所述的和原料粉末金属同系统是指在原料粉 末金属为纯金属时，助剂合金的母元素和原料粉末金属相同，在原料粉末金属为合金时，是 指助剂合金的母元素与原料粉末金属的母元素相同。 使用Al-Si作为助剂合金时，助剂合金中的Si元素的添加量从前述烧结温度和熔
点的温度差的关系出发，优选为1 18重量％，特别优选为9 15重量％。 Si元素的添加
量过少时，主要是无法改善润湿性，残留微小气孔，反之，如果过多时，熔点过高。 使用A1-Si作为助剂合金时，金属基质中的金属粉末助剂的混合比以重量比计，
优选为5 20%，特别优选为10 20%。在金属粉末助剂的混合量少时，提高导热性的效
果不足，其混合量过多时，出现熔融产生A1-C等二次弊病，对基质的机械性质和导热性带
来不良影响。 使用Al-Mg作为助剂合金时，助剂合金中的Mg元素的添加量从前述烧结温度和熔 点的温度差的关系出发，优选为1 50重量％ ，特别优选为8 50重量％ 。 Mg元素的添加 量过少时或过多时，熔点都过高。 使用A1-Mg作为助剂合金时，金属基质中的金属粉末助剂的混合比以重量比计， 优选为0. 5 20%，特别优选为1 20%。金属粉末助剂的混合量少时，提高导热性的效 果不足，其混合量过多时，出现熔融产生Al-C等二次弊病，对基质的机械性质或导热性带 来不良影响。与A1-Si的情形相比，助剂量相对较少，是因为助剂合金中的合金元素量相对 较多。 高导热性复合材料中的纤维状碳材料为了确保导热性，必须保证有相应的含量。 但是，如果含量过多，则无法充分得到基质本来具有的优异的加工性、延展性等特征。在任 何情况下，都无法得到作为复合材料的优点。基于该观点，纤维状碳材料的含量比，以体积 比计，优选为1 65%，特别优选为5 60%。 纤维状碳材料的种类没有特别的限定，从导热性方面出发，优选由单层或多层的 石墨烯构成的极细的管状结构体。该极细的管状结构体如前所述，包含碳纳米管和气相生 长碳纤维这两者，可以将它们单独或混合使用，优选粗长、直线性也高的气相生长碳纤维， 特别优选将其在特定方向取向使用的材料。 纤维状碳材料的制造方法没有特别的限定。可以是电弧放电法、激光蒸发法、热分 解法、化学气相生长法等任意方法，气相生长碳纤维通过化学气相生长法制造。表示气相生 长碳纤维的VGCF是V即or Growth Carbon Fiber的縮写。 复合材料中的纤维状碳材料的含有形态可以是纤维状碳材料均匀地分散到全部 基质中。另外，也可以形成片状，和基质层交替层叠构成层叠体。通过构成层叠体，纤维状 碳材料集中存在于基材中，与纤维状碳材料均匀地分散在全部基质中的分散型相比，在相同含量下，可以更有效地显现出纤维状碳材料的性质，从而可以减少纤维状碳材料的用量。
纤维状碳材料还可以在基质中取向。作为取向形态有两种，一种是纤维状碳材料在特定一个方向取向的一维取向，另一种是在特定平面上在平行方向取向，在该平面内，在多个方向取向的无规二维取向。无取向是纤维状碳材料在三维上，朝向无规方向、三维无规的形态。由纤维状碳材料构成的片材，在其表面上容易朝平行方向取向，也容易在同一方向取向。通过纤维状碳材料的取向，可以进一步提高取向方向的导热性。 以金属粉末为原料的放电等离子体烧结体可以进行塑性加工。塑性加工，例如通过碾压的重复应力，将粉末界限或结晶晶界中具有的纤维状碳材料取向，进而通过转位聚集，自身形成组织结构。但是，塑性加工可能会降低导热性。 本发明的高导热性复合材料通过以耐腐蚀性或放热性优异的铝和铝合金、钛和钛合金、铜和铜合金、镍和镍合金等金属作为基质，可以发挥出这些材料自身本来具有的腐蚀性和高温环境下优异的耐久性。通过在其中混合纤维状碳材料一体化，可以兼具纤维状碳材料本身具有的优异的导电、导热性质以及强度，发挥出所要性质的增强、叠加效果或新的
功能。由金属粉末烧结体构成的基质由于是以烧结原料粉末和金属粉末助剂的混合粉末为原料的金属粉末烧结体，可以发挥出特别有效的导热性能，其中金属粉末助剂是由与原料粉末金属同系统且熔点比原料粉末的烧结温度更低的合金形成的金属粉末助剂。另外，通过抑制纤维状碳材料的用量，可以提高经济效果。


图l是表示在以纯铝粉末和Al-12Si粉末的混合粉末为原料的放电等离子体烧结
体中，含有纤维状碳材料的含碳材料的铝复合材料的制造工艺的示意图。 图2是在纤维分散结构的非取向型复合材料中，以纤维状碳材料的含量作为参数
表示Al-12Si粉末混合的有效性的图表。 图3是表示在纤维分散结构的非取向型复合材料中，混合Al-12Si的情形与不混
合的情形这两种情况下，气相生长碳纤维的含量和热传导率的关系图。 图4是表示在纤维层叠结构的一维取向型复合材料中，混合Al-12Si的情形与不
混合的情形这两种情况下，气相生长碳纤维的含量和热传导率的关系图。 图5是表示实施例制造的复合材料和从复合材料采集的试验片的各种形状的示
意图，(a)是平面图，(b)是正视图。
具体实施例方式
在下文中，基于附图对本发明的实施方案进行说明。 在本实施方案中，铝粉末的放电等离子体烧结体中以规定间隔配列由纤维状碳材料形成的片材，制造含有纤维层叠型的碳材料的铝复合材料。 在该方法中，首先制造成为纤维层的纤维状碳材料的一维取向片。也就是，气相生长碳纤维在片材的表面平行的一个方向上，一维取向，制造取向的纤维片。该纤维片可以使用气相生长过程中自然制造的纤维片。对该片的制造方法进行详细地说明。
气相生长碳纤维使用催化剂从基板表面同时气相生长多根而制造。结果是，以多根纤维二维密集的形态，在基板上制造气相生长碳纤维。二维密集的多根纤维根据制造过
6程中的气流，大多倒向一个方向，只是密集纤维从基板分离，得到在一个方向取向的纤维片。这可以直接作为纤维片使用，或者轻轻将其碾压后使用。如果没有倒，则用辊等在一个方向推倒，从而可以得到在一个方向一维取向的纤维片。 此外，也可以将气相生长碳纤维的分散液中施加磁场或电场来制造。另外，通过将分散液放入注射器这样的注射机中，在一个方向挤出几列的方法，使分散液流过立板的方法，将板浸渍到分散液中缓慢拉伸的方法这样的物理方法，也可以将气相生长碳纤维在片材面平行的一个方向一维取向，制造纤维片。 在形成片前或在形成片后，可以对纤维状碳材料进行放电等离子体处理，这在纤维状碳材料的拉伸作用、表面活化、粉末体的扩散等方面是有效的，将在下文详细说明。
制造气相生长碳纤维的一维取向片，在该片的两面或一面粘附纯铝粉末和Al-12Si合金粉末的混合粉末。将粘附混合粉末的纤维片重叠规定片数加压，放电等离子体烧结，制造纤维层叠结构的含纤维状碳材料的铝复合材料。 在将气相生长碳纤维在同一方向取向形成的片层叠时，重要的是使其取向方向一致。对于放电等离子体烧结加工、之后的塑性加工、事先对纤维状碳材料的放电等离子体处理等如后说明。 放电等离子体烧结(处理)的工序是在冲模和穿孔机间装填前述层叠体，边上下
冲击加压，边流过直流脉冲电流，由此在冲模、穿孔机和被处理材料中产生焦耳热，将烧结
原料粉末烧结的方法，通过流过脉冲电流，在粉末颗粒间、气相生长碳纤维间产生放电等离
子体，粉末和气相生长碳纤维表面的杂质等消失，通过活化等作用顺利地进行烧结。 只对气相生长碳纤维进行放电等离子体处理的条件没有特别的限定，例如可以从
温度为200 140(TC，时间为1 2小时，压力为0 10MPa的范围适当选择。通过在放电
等离子体烧结工序前进行放电等离子体处理，可以产生纤维状碳材料的延伸作用、表面活
化、粉末物的扩散等作用效果，可以顺利地进行之后的放电等离子体烧结，而且可以提高对
烧结体赋予的导热性、导电性。 对层叠体进行的放电等离子体烧结优选在比作为烧结原料粉末的纯铝粉末通常的烧结温度更低的温度下进行。另外，不需要特别高的压力，烧结时优选将条件设定为在比较低的压力、低温下进行处理。 对层叠体的放电等离子体烧结中，混合粉末中的作为烧结原料粉末的纯铝粉末烧结。混合到纯铝粉末中的金属粉末助剂在烧结过程中熔融，填充到铝粉末颗粒间、铝粉末和气相生长碳纤维间。该工艺在下文中，参照附图详细说明。 对层叠体的放电等离子体烧结还优选为先在低压下进行低温等离子体放电，之后在高压下进行低温放电等离子体烧结这两个工序。还可以利用该烧结后的析出固化、各种热处理的相转变。另外，压力和温度的高低在前述两个工序中是相对的，可以在两工序间设定高低差异。 将所得的放电等离子体烧结体进行塑性变形的工序除了公知的挤压成形以外，还可以是冷轧、温轧、热轧的任意轧制方法。例如，可以根据金属烧结体的金属种类以及混合的陶瓷种类、纤维状碳材料的量选择最佳的轧制方法。另外，在进行多道次轧制时，还可以将冷轧、温轧组合使用。 冷轧是直接将所得的块状、板状、线状烧结体进行轧制的方法，在所需要的压制率下，重复进行1道次到多道次的轧制，可以加工为所需要厚度的板材、薄板、线材。1次的压制率以及总压制率和轧制辊径等可以根据金属种类以及混合的陶瓷种类和纤维状碳材料的量适当选择，以使碾压材料中不产生裂痕等。 温或热挤压成形或轧制可以根据所需要的形态和材质适当选择，例如可以基于根据金属烧结体的性质，不容易进行冷轧或者提高轧制效率的目的，根据金属烧结体的金属种类以及混合的陶瓷种类和纤维状碳材料的量，考虑1次的压制率、总压制率、道次次数和轧制辊径等，可以适当选择材料的加热温度。 挤压成形或轧制后的烧钝工序是根据需要进行的，例如如前所述，根据金属种类、混合的陶瓷种类和纤维状碳材料的量，选择最佳的轧制方法或组合、轧制条件，但是基于进一步减少轧制金属材料的残留应力，进一步提高轧制效果，或者容易得到所要性质的目的
等，可以根据选择的轧制方法或其组合、轧制条件等，适当选择烧钝的时机、温度条件、次数等。 进行塑性变形或塑性变形和烧钝处理的本发明的复合材料，容易进一步进行机械加工，可以根据目的用途和形态，加工为各种形状，进而，加工的金属材料之间或和不同材料之间，可以通过焊接材料或放电等离子体压接等，进行接合加工。 以上是一维取向型复合材料的制造例，为了制造这种材料，采用纤维层叠结构，但是在制造非取向型复合材料时，不需要采用纤维层叠结构，可以制造纤维分散结构的复合材料。 制造纤维分散结构的非取向型复合材料时，通过搅拌器将作为烧结原料粉末的纯铝粉末、作为金属粉末助剂的Al-12Si粉末和作为纤维状碳材料的气相生长碳纤维以规定比例充分混合。混合后，将该混合物进行放电等离子体烧结。烧结方法和之后的塑性加工等与纤维分散结构的非取向型复合材料制造的情形相同。 图l是表示在以纯铝粉末和Al-12Si粉末的混合粉末为原料的放电等离子体烧结
体中，含有纤维状碳材料的含碳材料的铝复合材料的制造工艺的示意图。图中以及下文记
载的烧结温度以及熔点都是通过插入烧结模具中的热电偶检测出的温度。 纤维层叠结构的取向型复合材料的情形，或者纤维分散结构的非取向型复合材料
的情形，烧结前可以在纯铝粉末中混合Al-12Si粉末形成的基质粉末中，含有纤维状碳材
料(图l中的下半图)。作为烧结粉末的纯铝的熔点为60(TC，烧结温度为56(rC。另一方
面，作为金属粉末助剂的Al-12Si的熔点比纯铝的烧结温度更低，为52(TC，烧结温度比这
更低，为470。C。 放电等离子体烧结在加压状态下开始放电等离子体加热。通过加压提高纯铝粉末、Al-12Si粉末和纤维状碳材料的填充密度。如果在该状态下加热温度达到Al-12Si的软化温度(250°C )，则Al-12Si粉末颗粒软化变形，侵入纯铝粉末之间以及纯铝粉末和纤维状碳材料之间，开始填充空隙(图1中的中部图)。 如果加热温度达到Al-12Si的熔点，则间隙被Al-12Si完全填充。在该状态下，由于加热温度达到纯铝的烧结温度，则纯铝粉末之间由于固相扩散接合一体化。 一体化的纯铝和纤维状碳材料之间被Al-12Si完全填充(图1中的上部图)。在界面中形成图中斜线表示的Si扩散层。 因此，制造以铝烧结体为基质的含纤维状碳材料的复合材料。在制造的复合材料中，纯铝粉末和纤维状碳材料间完全被Al-12Si填充，提高烧结性(气孔率接近0)，从而提高导热性。 不使用Al-12Si粉末时，作为基质颗粒的纯铝不熔融，和纤维状碳材料的密合性不好。假设即使熔融，和构成纤维状碳材料的碳的润湿性不好。相对于此，使用Al-12Si粉末时，Al-12Si熔融。另外，由于熔融的Al-12Si中的Si元素的影响，在构成纤维碳材料的碳表面形成Si富集层，在纯铝表面形成Si扩散层。结果是，热传过(碳)-(Si富集层)-(Al-12Si)-(Si扩散层)-(Al)的路径。因此，Al-12Si由于碳而与Si的润湿性良好，所以通过形成Si富集层，可以改善其与碳之间的导热性。另外，Al-12Si和纯铝的润湿性与有无Si扩散层没有关系，都是良好的。由此，纯铝和纤维状碳材料间的导热性非常好。
但是，Si在一方面可能会导致热漫反射。因此，应当避免大量的Si，从这点出发，也要限制A1-Si粉末中的Si含量、A1-Si粉末量。
实施例1 对纤维分散结构的非取向型复合材料，调查含有Al-12Si粉末的有效性。作为基质母材使用平均粒径35 ii m的纯铝粉末。在其中混合平均粒径40 ii m的Al-12Si粉末，调查对其导热性、机械性质的影响。作为纤维状碳材料使用粗1 50 ii m(平均10 ii m)、长约2 3mm的气相生长碳纤维。 用混炼机将纯铝粉末、Al-12Si粉末和气相生长碳纤维充分混炼后，将混炼材料装填到放电等离子体烧结装置的冲模内，在560°C X60分钟的条件下，进行放电等离子体烧结。此时，升温速度为20°C /min，持续施加30MPa的压力。 研究所得的纤维分散结构的非取向型复合材料的热性质和气孔率。热性质评价试验片是直径10mm、厚3mm的圆板。测定装置使用7 ;w、'7夕理工公司制造的TC-7000,由此，
求得热扩散率和比热，换算为热传导率。密度和气孔率根据阿基米德法测定。 热传导率、气孔率的研究结果如图2所示。基质中的Al-12Si的混合比以重量百
分比计，为0、10、20%。复合材料中的气相生长碳纤维的含有率以体积百分比计，为0、30、
60%。 不含气相生长碳纤维时，通过往铝基质混合Al-12Si，热传导率略微降低。可以认为不含气相生长碳纤维时，没有烧结性低下、密合性低下这样的问题，因为Si扩散层引起的热漫反射明显。相对于此，基质中含有气相生长碳纤维时，通过往A1基质混合Al-12Si，热传导率提高。这可以认为是因为不含气相生长碳纤维时，具有烧结性低下、密合性低下的问题，这可以通过混合Al-12Si来解决。 在未混合Al-12Si时，如果含有60体积％气相生长碳纤维，则发现气孔率明显增大。完全可以推测这种情况会给机械性质带来不良影响。如果混合Al-12Si，即使含有60体积％气相生长碳纤维，气孔率也不会增加，大致为0。 从该实验表明在含有纤维状碳材料时，往Al基质混合Al-12Si，有助于提高热传导率、机械性质。 图3是表示在前述纤维分散结构的非取向型复合材料中，混合10% Al-12Si的情
形与不混合的情形这两种情况下，气相生长碳纤维的含量和热传导率的关系图。 气相生长碳纤维的含量为0或微量时，通过混合Al-12Si降低热传导率。但是，在
气相生长碳纤维的含量超过10%时，混合Al-12Si，热传导率升高，该上升率是气相生长碳纤维的含量越多越明显。
实施例2 对纤维层叠结构的一维取向型复合材料研究Al-12Si粉末的有效性。作为基质的 母材粉末，准备平均粒径35 i！ m的纯铝粉末，作为助剂粉末，准备平均粒径40 ii m的Al-12Si 粉末。然后，作为基质粉末准备只有纯铝粉末、以及在纯铝粉末中混合10重量％ Al-12Si 粉末形成的混合粉末这两类基质粉末。 作为纤维状碳材料准备气相生长碳纤维的取向片。气相生长碳纤维的取向片是粗 1 50 ii m(平均10 ii m)、长约为2 3mm的气相生长碳纤维的聚集体，将其纤维方向取向 为在表面平行且相同的方向，形成厚度100iim级的纤维取向片。这种取向片如前所述在气 相生长过程中自然制造。 从纤维取向片凿出直径10mm的圆形片后，在这些圆形片上边负载基质粉末，边重 叠圆形片，由此可以制造直径10mmX高20mm的圆柱形层叠体。 此时，通过调节夹在圆形取向片间的基质粉末量，将气相生长碳纤维的体积含量 在0 60%的范围内进行各种变化。也就是，通过增加基质粉末量，来降低气相生长碳纤维 含量，降低圆柱形层叠体中的纤维取向片的层叠张数。反之，通过减少基质粉末量，来增加 气相生长碳纤维的含量，增加圆柱形层叠体中的取向片的层叠张数。结果是，圆柱形层叠体 中的圆形取向片的层叠张数约在100 250张的范围内变化。重叠圆形取向片时，注意使 其中的气相生长碳纤维的取向方向朝向同一方向 将制造的各种圆柱形层叠体装填到放电等离子体烧结装置的冲模内，在高度方向 加压。由此，冲模内的圆柱形层叠体IO被压縮到高度约15mm。在这种状态下，以560°C X60 分钟的条件，将冲模内的圆柱形层叠体放电等离子体烧结。此时，升温速度为20°C /min，继 续施加30MPa的压力。结果是，圆柱形的铝粉末烧结体中，垂直中心线的碳纤维层在中心线 方向以规定间隔，层叠几层，制造圆柱形的含纤维状碳材料的铝复合材料。
制造的复合材料的示意图如图5(a) (b)所示。制造的圆柱形的复合材料10中，圆 板状的基质粉末烧结层12和纤维状碳材料层11交替层叠。复合材料10的直径为10mm，高 度由于加压烧结过程中的收縮为约11 12mm。纤维状碳材料层11中的纤维是气相生长碳 纤维l取向为平行(和复合材料的中心线垂直)且相同方向。 为了测定纤维取向方向的热传导率，从圆柱形的复合材料10的纤维取向方向的 中央部，采集和复合材料10的中心线垂直方向的圆盘状试验片20。试验片20的直径为 10mm，厚度为2 3mm，试验片20的中心线和与复合材料10的中心线垂直且纤维状碳材料 层11中的气相生长碳纤维1的取向方向一致。也就是，各试验片20中，和其中心线垂直的 纤维状碳材料层11在和该碳材料层11垂直方向以规定间隔层叠，各碳材料层11中的气相 生长碳纤维1的取向方向和试验片20的中心线方向一致。 制造的复合材料分别测定采集的试验片中心线方向，也就是气相生长碳纤维取向 方向的热传导率。热传导率的测定结果如图4所示。 气相生长碳纤维的含量为0或微量时，由于混合Al-12Si，热传导率低下。但是， 气相生长碳纤维的含量超过10%时，混合Al-12Si，热传导率上升，发现其上升率有气相生 长碳纤维的含量越多越明显的趋势。该趋势比实施例l(纤维分散结构的非取向型复合材 料)的情形更明显。
具体地说，纯铝粉末单体的放电等离子体烧结体的热传导率约为200W/mK。通过 含有约40体积％气相生长碳纤维，热传导率上升到2倍。另外，通过含有60体积％，热传 导率上升到2. 5倍的500W/mK。相对于此，如果在纯铝粉末中混合Al_12Si粉末，气相生长 碳纤维的含量在30体积％以下时，热传导率达到2倍，在30 40体积％时，达到2. 5倍的 500W/mK。在保证有相同的热传导率时，通过向纯铝粉末中配合Al-12Si粉末，气相生长碳 纤维的用量降低为3/4 1/2。 像这样，在制造含有纤维状碳材料的铝复合材料时，通过在基质的母材金属粉末 中加入少量Al-12Si粉末进行制造，在不增加纤维状碳材料量的同时，还可以提高导热性，
在确保有相同的导热性时，可以节约纤维状碳材料的用量。 符号说明 1 气相生长碳纤维(纤维状碳材料) 10 复合材料 11纤维状碳材料层 12基质粉末烧结层 20 试验片
权利要求
一种高导热性复合材料，该高导热性复合材料由金属基质和纤维状碳材料的混合物形成，其特征在于前述金属基质是以烧结粉末原料和金属粉末助剂的混合粉末为原料的金属粉末烧结体，其中金属粉末助剂由和原料粉末金属同系统且熔点比原料粉末的烧结温度更低的合金形成。
2. 根据权利要求1所记载的高导热性复合材料，其中金属粉末助剂是调节合金元素量以使其熔点比烧结原料粉末的烧结温度低3(TC以上的合金。
3. 根据权利要求1所记载的高导热性复合材料，其中烧结原料粉末由纯Al或Al合金 形成，金属粉末助剂是熔点比原料粉末的烧结温度更低的A1合金。
4. 根据权利要求3所记载的高导热性复合材料，其中作为金属粉末助剂的Al合金是 Al-Si合金。
5. 根据权利要求4所记载的高导热性复合材料，其中作为金属粉末助剂的Al-Si合金 中的Si的量为1 18重量％。
6. 根据权利要求4所记载的高导热性复合材料，其中金属基质中的金属粉末助剂的混 合比以重量比计为5 20%。
7. 根据权利要求3所记载的高导热性复合材料，其中作为金属粉末助剂的Al合金是 Al-Mg合金。
8. 根据权利要求7所记载的高导热性复合材料，其中作为金属粉末助剂的Al-Mg合金 中的Mg的量是1 50重量％。
9. 根据权利要求7所记载的高导热性复合材料，其中金属基质中的金属粉末助剂的混 合比以重量比计为0. 5 20%。
10. 根据权利要求1所记载的高导热性复合材料，其中纤维状碳材料的含有比以体积 比计为1 65%。
11. 根据权利要求1所记载的高导热性复合材料，其中纤维状碳材料是由单层或多层 的石墨烯构成的极细的管状结构体。
12. 根据权利要求11所记载的高导热性复合材料，其中管状结构体是VGCF或CNT或两 者的混合物。
全文摘要
本发明的目的在于提高含有纤维状碳材料的铝复合材料的导热性。为了实现该目的，在铝等金属基质粉末中混合纤维状碳材料来制造放电等离子体烧结体。在制造时，在作为基质母材的铝粉末中，混合熔点比该母材的烧结温度更低的Al-12Si粉末等Al合金粉末。在铝粉末的烧结过程中，Al合金粉末熔融，提高铝粉末颗粒间、铝粉末颗粒和纤维状碳材料间的导热性。
文档编号C22C21/00GK101743337SQ20088002291
公开日2010年6月16日 申请日期2008年7月2日 优先权日2007年7月5日
发明者今西辉光, 仲摩信人, 佐佐木克彦, 佐藤丰弘, 垣辻笃, 清水昭之, 片桐一彰 申请人:住友精密工业株式会社;大阪府