金属複合材料の製造方法、金属複合材料、放熱部品の製造方法及び放熱部品
【課題】放熱効率を向上させることのできる金属複合材料の製造方法、金属複合材料、放熱部品の製造方法及び放熱部品を提供する。
【解決手段】炭素材料と金属粉末とに対して、炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、金属粉末に炭素材料を凝着させる凝着工程（ステップＳ１）と、炭素材料が凝着された金属複合材料の表面の金属の一部を昇華させることにより、凝着された炭素材料を金属複合材料の表面の一部に露出させる昇華工程（ステップＳ２）と、を有する。
【解決手段】炭素材料と金属粉末とに対して、炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、金属粉末に炭素材料を凝着させる凝着工程（ステップＳ１）と、炭素材料が凝着された金属複合材料の表面の金属の一部を昇華させることにより、凝着された炭素材料を金属複合材料の表面の一部に露出させる昇華工程（ステップＳ２）と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属複合材料の製造方法、金属複合材料、放熱部品の製造方法及び放熱部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等に使用される半導体素子の高性能化・高速度化に伴って、その半導体素子から発熱する発熱量が年々増大している。この発熱量の増大に伴って半導体素子の温度が上昇すると、誤動作などの問題が生じる。
【０００３】
そこで、このような問題の発生を回避するために、半導体素子を放熱・冷却する技術が様々提案されている。例えば半導体素子に高熱伝導性の金属からなる熱拡散板（ヒートスプレッダ）を取り付け、そのヒートスプレッダに放熱フィンを有するヒートシンクを取り付ける手段が提案されている。この場合、冷却すべき半導体素子の発する熱は、ヒートスプレッダに一旦拡散してからヒートシンクを経て放熱される。
【０００４】
また、ヒートスプレッダとヒートシンクとの間に、密閉容器内に作動流体を封入して内壁に毛細管構造（ウイック）を備えたヒートパイプやベーパチャンバを介在させて、作動流体の蒸発潜熱により、ヒートスプレッダを介して半導体素子を放熱・冷却する手段も提案されている。この場合、半導体素子の発する熱がヒートスプレッダに一旦拡散され、そのヒートスプレッダからヒートパイプ又はベーパチャンバが熱を受け取ることで、作動流体が潜熱を奪って蒸発する。そして、その作動流体の蒸気が温度の低い方に向かって流れることで、半導体素子の発する熱が拡散され、結果的に発熱体が冷却される。
【０００５】
なお、上記従来技術に関連する先行技術として、特許文献１，２が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１８０８７１号公報
【特許文献２】特開２００３−２２２４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述したような放熱又は熱伝導機能を有する放熱部品では、放熱効率を高めるために、熱伝導度の高い金属（例えば、銅やアルミニウム）が材料として使用されている。また、とくにヒートパイプやベーパチャンバなどでは、細い銅線を編んだウイックや銅粉末の焼結体のウイックを使用することにより、作動流体との接触面積を大きくして放熱効率を向上させている。しかしながら、そのような金属では熱伝導度が決まっているため、材料の面からこれ以上放熱効率を向上させることはできず、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、放熱効率を向上させることのできる金属複合材料の製造方法、金属複合材料、放熱部品の製造方法及び放熱部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、金属複合材料は、炭素材料と金属粉末とに対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記金属粉末表面に前記炭素材料を凝着させる凝着工程を有する製造方法によって製造される。
【００１０】
この方法によれば、凝着工程において金属粉末の表面に炭素材料が凝着される。これにより、金属粉末よりも高い熱伝導度を有する炭素材料が表面に露出されることで、金属複合材料の熱伝導度を向上させることができる。
【００１１】
また、凝着工程において炭素材料の少なくとも一部が粉砕され、その粉砕によって炭素材料の親水性が向上される。このように親水性の向上した炭素材料が表面に露出されるため、金属複合材料の親水性を向上させることができる。このため、この金属複合材料をヒートパイプやベーパチャンバのウイックに使用することにより、作動流体を狭い空隙にも浸透させることができ、作動流体との接触面積が増大して大きな放熱面積を得ることができる。これにより、放熱効率を向上させることができる。
【００１２】
本発明の一観点によれば、金属複合材料は、表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、前記凝着された炭素材料が表面の一部に露出されてなる。
この構成によれば、金属粉末よりも高い熱伝導度を有する炭素材料を表面に露出させることで、金属複合材料の熱伝導度を向上させることができる。また、親水性が付与された炭素材料が表面に露出されるため、金属複合材料の親水性を向上させることができる。このため、この金属複合材料をヒートパイプやベーパチャンバのウイックに使用することにより、作動流体を狭い空隙にも浸透させることができ、作動流体との接触面積が増大して大きな放熱面積を得ることができる。これにより、放熱効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の一観点によれば、放熱部品は、炭素材料と金属粉末とに対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記金属粉末表面に前記炭素材料を凝着させた金属複合材料を形成する凝着工程と、前記金属複合材料を放熱部品の表面又は内部空間に配置し、前記放熱部品を加熱することにより、前記放熱部品の表面又は内壁面に前記金属複合材料を接着させる焼結工程と、を有する製造方法によって製造される。
【００１４】
この方法によれば、凝着工程において金属粉末の表面に炭素材料が凝着される。これにより、金属粉末よりも高い熱伝導度を有する炭素材料が表面に露出されることで、金属複合材料の熱伝導度を向上させることができる。また、凝着工程において炭素材料の少なくとも一部が粉砕され、その粉砕によって炭素材料の親水性が向上される。このように親水性の向上した炭素材料が表面に露出されるため、金属複合材料の親水性を向上させることができる。そして、焼結工程において、このような金属複合材料が放熱部品の表面又は内壁面に接着されるため、その放熱部品の熱伝導度及び親水性を向上させることができる。
【００１５】
本発明の一観点によれば、放熱部品は、表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、前記凝着された炭素材料が表面の一部に露出されてなる金属複合材料が、表面又は内壁面に接着されてなる。
【００１６】
この構成によれば、金属粉末よりも高い熱伝導度を有する炭素材料を表面に露出させることで、金属複合材料の熱伝導度を向上させることができる。また、親水性が付与された炭素材料が表面に露出されるため、金属複合材料の親水性を向上させることができる。そして、このような金属複合材料が放熱部品の表面又は内壁面に接着されているため、その放熱部品の熱伝導度及び親水性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一観点によれば、放熱効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】金属複合材料の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】高速衝突装置を示す模式図である。
【図３】凝着工程後の金属複合材料の断面構造を示す模式図である。
【図４】凝着工程後の金属複合材料の断面構造の走査イオン顕微鏡画像である。
【図５】凝着工程後の金属複合材料の超高分解能ＦＥ−ＳＥＭ画像である。
【図６】昇華工程後の金属複合材料の走査電子顕微鏡画像である。
【図７】ヒートパイプを示す断面図である。
【図８】ヒートパイプの製造方法を示す断面図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、放熱部品の製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】ウイック用線材の製造方法を示す断面図である。
【図１１】ヒートパイプの製造方法を示す断面図である。
【図１２】グルーブを示す斜視断面図である。
【図１３】ベーパチャンバの製造方法を示す断面図である。
【図１４】ベーパチャンバの製造方法を示す断面図である。
【図１５】ヒートスプレッダを示す断面図である。
【図１６】ヒートスプレッダの使用状態例を示す断面図である。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）は、純水を滴下した際の光学顕微鏡画像である。
【図１８】蒸発潜熱の熱特性測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、一実施形態を図１〜図１６に従って説明する。
（金属複合材料）
本実施形態の金属複合材料は、表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、その凝着された炭素材料が当該金属複合材料の表面の一部に露出されて構成されるものである。具体的には、金属複合材料は、金属粉末の表面及び表面直下に、機械的エネルギーによって粉砕された炭素材料及び未粉砕の炭素材料が凝着され、それら炭素材料が当該金属複合材料の表面の一部に露出されて構成されるものである。より具体的には、金属複合材料は、その表面が上述した炭素材料と金属粉末の結晶粒とによって凹凸状に形成されて構成されるものである。
【００２０】
金属粉末としては、例えば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）等の金属の粉末又はこれらの金属を少なくとも一種以上含む合金（はんだ等）の粉末を使用することができる。なお、金属粉末は、粒径の異なる同一種類の金属粉末を混合して用いてもよい。熱伝導度の高い金属粉末、例えばＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ等の粉末を使用することにより、熱伝導度のより高い金属複合材料を得ることができる。
【００２１】
また、炭素材料としては、アモルファス炭素、炭素繊維又はナノカーボンを使用することができる。ナノカーボンとしては、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイト、グラフェン、フラーレン、及びナノダイアモンド等の結晶性を有するカーボン材を使用することができる。なお、これらの炭素材料は、単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。結晶性の高いナノカーボン、例えばカーボンナノチューブや黒鉛等を使用することにより、熱伝導度のより高い金属複合材料を得ることができる。
【００２２】
この炭素材料の含有量は、金属複合材料に対して、例えば０．１質量％〜５質量％である。なお、金属複合材料中の炭素材料の含有量は、超高分解能ＦＥ−ＳＥＭや透過型電子顕微鏡による形態観察や、元素分析及び「ＪＩＳ Ｚ ２６１５ 金属材料の炭素定量方法通則」に従って分析することによって測定することができる。
（金属複合材料の製造方法）
次に、このように構成された金属複合材料の製造方法を図１〜図６に従って説明する。
【００２３】
金属複合材料の製造方法は、図１に示すように、金属粉末と炭素材料とを混合する混合工程（ステップＳ１）と、金属粉末に炭素材料を凝着させる凝着工程（ステップＳ２）と、未凝着の粒子を分級除去する分級工程（ステップＳ３）と、金属粉末の一部を昇華させて炭素材料の一部を表面に露出させる昇華工程（ステップＳ４）とを有する。なお、ここでは、金属粉末として銅粉末を使用し、炭素材料としてカーボンナノチューブを使用して金属複合材料を製造する方法を説明する。
（混合工程）
まず、混合工程では、銅粉末とカーボンナノチューブとが混合される（ステップＳ１）。このとき、銅粉末とカーボンナノチューブとの混合割合は、特に限定されないが、例えば０．１質量％〜５質量％のカーボンナノチューブが混合物中に含まれるようにする。また、銅粉末の粒子形状や粒径は特に限定されないが、例えば４０μｍ〜３ｍｍの粒径の銅粉末を使用する。このような混合割合及び粒径とすることにより、次の凝着工程において好適にカーボンナノチューブを銅粉末に凝着させることができる。
【００２４】
上記カーボンナノチューブは、六角網目状のグラファイトシート（グラフェン）が円筒状をなした構造を有している。カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブであってもよいし、多層カーボンナノチューブであってもよい。また、フラーレンを内包したカーボンナノチューブであってもよい。カーボンナノチューブの製法としては、特に限定されず、例えばアーク放電法、レーザー蒸発法、化学気相成長法等が挙げられる。
（凝着工程）
次に、凝着工程では、銅粉末とカーボンナノチューブとの混合物に機械的衝撃力を加えることによって、銅粉末の表面及び表面直下内部にカーボンナノチューブが凝着される（ステップＳ２）。このような機械的衝撃力を与える方法としては、例えば図２に示す高速衝突装置１０を用いる方法が挙げられる。ここで、まず、高速衝突装置１０の構造について説明する。
【００２５】
高速衝突装置１０は、円筒状のステータ１１とそのステータ１１の両端面を塞ぐカバー（図示略）とによって形成される衝撃室１２内に、回転軸１３によって衝撃室１２内を回転可能に軸支された円盤状のロータ１４を備えている。このロータ１４の盤上には、放射状に周設された複数のブレード１５が固着されている。また、高速衝突装置１０は、一端がステータ１１の内壁の一部に開口し、他端が上記カバーの一部に開口して閉回路を形成する循環管１６を備えている。この循環管１６には、原料を投入するための原料ホッパー１７が、開閉弁１８と原料供給用シュート１９とを通じて連結されている。また、高速衝突装置１０は、ステータ１１の一部に設けられた排出弁２０によって開閉される排出シュート２１を備えている。この排出シュート２１には、処理済の粉末を回収する粉末回収器２２が連結されている。
【００２６】
次に、このように構成された高速衝突装置１０を用いた凝着工程の処理方法を説明する。
まず、カーボンナノチューブが酸化燃焼しない雰囲気、例えば不活性ガス（アルゴンガス等）や窒素ガス等を雰囲気として、上記混合工程にて混合された銅粉末及びカーボンナノチューブが原料供給用シュート１９を介して衝撃室１２に供給される。このとき、開閉弁１８及び排出弁２０を閉じた状態で、図示しない駆動手段により回転軸１３を介してロータ１４を、周速度５０ｍ／ｓ〜１５０ｍ／ｓ程度で１分〜３分間回転させる。これにより、銅粉末及びカーボンナノチューブは、衝撃室１２内を高速で回転しながら飛散し、その間にステータ１１の表面やブレード１５に回転しながら衝突する。衝突した銅粉末及びカーボンナノチューブは、ステータ１１に開口している循環管１６を循環した後、再び衝撃室１２に供給される。このようにして、銅粉末及びカーボンナノチューブが、ロータ１４の回転にしたがって衝撃室１２と循環管１６との間を多数回循環される。この間、ステータ１１やロータ１４への衝突が繰り返されることにより、カーボンナノチューブの表面に強い機械的エネルギーが発生し、カーボンナノチューブの一部が粉砕される。このように粉砕されたカーボンナノチューブでは、粉砕などの機械的エネルギーが化学的なエネルギーの形で表面に蓄えられ、その結果、物理化学的性質の変化が誘起され、表面の活性が高められる（メカノケミカル効果）。そして、このメカノケミカル効果によって、粉砕後のカーボンナノチューブでは親水性が高められる。
【００２７】
また、衝撃室１２と循環管１６とを循環する間、銅粉末及びカーボンナノチューブには、上述したステータ１１やブレード１５への衝突力に加えて、粒子同士の衝突力が与えられる。このような機械的衝撃力によって、銅粉末の表面にカーボンナノチューブが凝着され、さらに銅粉末同士の衝突によって、銅粉末表面に凝着したカーボンナノチューブが叩かれて、カーボンナノチューブが銅粉末の表面直下に埋め込まれる。すなわち、ロータ１４の回転により与えられる機械的衝撃力によって、銅粉末の表面及び表面直下にカーボンナノチューブが凝着される。これにより、図３及び図４に示すように、カーボンナノチューブと銅粉末とが複合化された金属複合材料１が形成され、その金属複合材料１の最表層に、銅粉末の結晶粒とカーボンナノチューブとが凝着された凝着層２が形成される。この凝着層２には、図５に示すように、未粉砕のカーボンナノチューブと粉砕されたカーボンナノチューブとが埋め込まれている。なお、カーボンナノチューブが埋め込まれる表面直下の領域（凝着層２）は、例えば金属複合材料１の表面から５μｍ〜１２μｍ程度までの範囲である。また、図３及び図４に示すように、凝着層２よりも中心側には、上述した機械的衝撃力によって銅粉末の母結晶が微細化された微細結晶組織３が形成されている。さらに、微細結晶組織３よりも中心側には、破壊されていない銅粉末の母結晶組織４が形成されている。
【００２８】
そして、所定時間経過後、図２に示す排出弁２０を開くことにより、金属複合材料１を含む処理後の試料が排出シュート２１を通じて回収器２２にて回収される。
このような凝着工程において、銅粉末にカーボンナノチューブが埋め込まれることによって、銅粉末からのカーボンナノチューブの脱離が抑制され、後工程（昇華工程）で均質な複合材料を得ることができる。
（分級工程）
図１に示すように、次の分級工程では、上記金属複合材料１のみを回収するために、その金属複合材料１以外の試料を分級除去する（ステップＳ３）。具体的には、未凝着のカーボンナノチューブ、未凝着の銅粉末、及び銅粉末同士が凝着された銅粉末を分級除去する。なお、この分級工程は、例えばエルボージェット型の気流分級装置により行うことができる。
（昇華工程）
次に、昇華工程では、上記分級工程により回収された金属複合材料１を加熱して、金属複合材料１の表面、つまり凝着層２中の銅の一部を昇華させる（ステップＳ４）。具体的には、カーボンナノチューブが酸化燃焼しない雰囲気（例えば真空、不活性ガスや窒素ガス）下で、銅の昇華条件にて金属複合材料１を加熱して、凝着層２中の銅の一部を昇華させる。より具体的には、例えば真空炉中において、真空度１×１０−３Ｐａ〜１×１０−４Ｐａ及び温度８００度〜１１００度にて金属複合材料１を加熱して、凝着層２中の銅の一部を昇華させ、凝着層２中のカーボンナノチューブを金属複合材料１の表面の一部（例えば、表面積の１％〜７０％程度）に露出させる。なお、昇華時間は、特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブが金属複合材料１の表面の１％〜７０％の面に露出されるように設定すればよい。なお、この金属複合材料１中のカーボンナノチューブの露出度合は、例えば超高分解能ＦＥ−ＳＥＭや電子顕微鏡による組織観察等によって測定することができる。
【００２９】
このような昇華工程後によって得られる金属複合材料１Ａは、図６に示すように、その表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成され、その表面積が複合前の銅粉末のそれよりも増大されている。ここで、熱伝導度が銅よりも３倍〜４倍程度高いカーボンナノチューブが表面に露出されるため、金属複合材料１Ａの表面を熱が伝わりやすくなり、金属複合材料１Ａの熱伝導度を複合前の銅粉末のそれと比べて飛躍的に向上させることができる。また、表面に露出されるカーボンナノチューブには、上述した粉砕後のカーボンナノチューブ、つまり親水性の良いカーボンナノチューブが含まれる。このため、金属複合材料１Ａの親水性を複合前の銅粉末のそれと比べて大幅に向上させることができる。さらに、表面が凹凸状に形成されることで表面積が大きくなるため、例えばヒートパイプやベーパチャンバ等に上記金属複合材料１Ａを適用した場合に、作動流体との接触面積を大幅に広げることができる。これにより、受熱効率及び放熱効率を向上させることができる。
（適用例）
以上説明した金属複合材料１Ａ（又は金属複合材料１）は、熱伝導度及び親水性に優れているため、ヒートパイプ、ベーパチャンバ、ヒートスプレッダ、ヒートシンクや熱交換器等のように放熱又は熱伝導機能を有する放熱部品に幅広く適用することができる。以下に、このような放熱部品に金属複合材料１Ａを適用した場合の具体例を説明する。
（適用例１）
まず、上述した金属複合材料１Ａをヒートパイプに適用した場合の例を説明する。
【００３０】
ヒートパイプの材料には、代表的に銅が用いられる。図７に示すように、ヒートパイプ３０は、密閉したコンテナ３１の内部に、凝縮性の流体（例えば、水やアルコールなど）が作動流体として封入された構造を有している。このヒートパイプ３０は、外部からの入熱によって作動流体を蒸発部で蒸発させるとともに、その蒸気を凝縮部に流動させた後、放熱させて凝縮させることにより、作動流体の潜熱として熱を輸送するように構成したものである。このヒートパイプ３０では、凝縮部に熱が輸送された後、凝縮した液相の作動流体をウイック３２による毛細管圧力によって、蒸発部に環流させている。このウイックは、例えば粉末の焼結体、編組、細線の束やグルーブなどのウイック材により構成されている。以下に、このウイック材に上記金属複合材料１Ａを適用する方法を説明する。
（粉末の焼結体）
まず、図９（ａ）に示す配置工程（ステップＳ５）では、上記分級工程（ステップＳ３）で回収した金属複合材料１を、図８に示すように一端（例えば、蒸発部側の端部）を封止したコンテナ３１の内部空間３３に配置する。続いて、図９（ａ）に示す焼結工程（ステップＳ６）では、金属複合材料１が配置されたコンテナ３１を、公知の焼結法によって銅の昇華条件にて加熱することにより、金属複合材料１の凝着層２（図３参照）中の銅の一部を昇華させるとともに、金属複合材料１同士を焼結させる。これにより、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部が金属複合材料１の表面の一部に露出され、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料１Ａが形成される。さらに、この金属複合材料１Ａの表面に露出された銅同士が結合され、金属複合材料１Ａの焼結体が形成される。このとき、コンテナ３１の内壁面３１Ａが銅で形成されているため、金属複合材料１Ａの焼結体の形成と共に、その焼結体をコンテナ３１の内壁面３１Ａに接着することができる。換言すると、金属複合材料１Ａの焼結体からなるウイックをコンテナ３１の内壁面３１Ａに形成することができる。
【００３１】
なお、上述した焼結工程は、例えばパルス通電焼結法、ホットプレス法、真空焼結法、ガス圧焼結法や熱間等方加圧焼結法などの公知の焼結法により行うことができる。この焼結工程は、好ましくは真空又は不活性ガスの雰囲気下で行われる。また、焼結温度等の焼結条件は、採用する焼結法、使用する金属粉末の種類や使用する金属粉末の昇華条件（真空度及び温度等）に応じて適宜設定すればよい。
【００３２】
そして、上記焼結工程後、コンテナ３１に作動流体を注入し、コンテナ３１内を真空引きして凝縮部側の端部を封止することにより、ヒートパイプ３０を製造することができる。
（変形例）
上記適用方法では、分級工程（ステップＳ３）で回収した金属複合材料１をコンテナ３１内に配置するようにしたが、図９（ｂ）に示すように、上記昇華工程（ステップＳ４）後の金属複合材料１Ａをコンテナ３１内に配置するようにしてもよい。具体的には、図９（ｂ）に示す配置工程（ステップＳ７）では、昇華工程（ステップＳ４）で得られた金属複合材料１Ａを、図８に示すように一端を封止したコンテナ３１の内部空間３３に配置する。この場合、その後の焼結工程（ステップＳ８）において、金属複合材料１Ａが配置されたコンテナ３１を、公知の焼結法によって加熱することにより、コンテナ３１の内壁面３１Ａに金属複合材料１Ａを接着させる。このとき、金属複合材料１Ａの表面に露出された銅同士が結合され、金属複合材料１Ａの焼結体が形成されるため、コンテナ３１の内壁面３１Ａには金属複合材料１Ａの焼結体を接着させることができる。
（編組又は細線の束）
図１０に示すように、引抜きダイス４０の内面に上記分級工程で回収した金属複合材料１を供給した状態で、純銅線４１を引抜き加工により細線化する。これにより、銅線４１の表面に金属複合材料１が埋め込まれつつ、銅線が所望の径に細線化される。このとき、上記金属複合材料１は、引抜き加工における固体潤滑剤としても機能する。
【００３３】
次に、連続真空炉内において、細線化した銅線４１を銅の昇華条件にて加熱することにより、銅線４１（具体的には、銅線４１に埋め込まれた金属複合材料１の表面）の銅の一部を昇華させる。これにより、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部が銅線４１の表面の一部に露出され、銅線４１の表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成される。すなわち、金属複合材料１Ａが銅線４１の表面に形成される。
【００３４】
続いて、このように形成された銅線４１（細線）をメッシュ状に編むことにより、編組のウイック材を形成することができる。また、上述のように形成された銅線４１（細線）を、細線の束のウイック材として使用することもできる。なお、これら編組のウイック材及び細線の束のウイック材は、後述するベーパチャンバのウイック材としても使用することができる。
【００３５】
そして、このように製造された編組のウイック材又は細線の束のウイック材を、一端を封止したコンテナ内に配置する。続いて、そのコンテナを加熱することにより、コンテナの内壁面に上記ウイック材を接着する。その後、コンテナに作動流体を注入し、コンテナ内を真空引きして他端を封止することにより、編組のウイック又は細線の束のウイックを有するヒートパイプを製造することができる。
（グルーブ）
図１１に示すように、銅管５０をダイス５１にセットし、グルーブ加工用のプラグ５２、つまり外周面に溝及び突条を有するプラグ５２を銅管５０内に挿入する。続いて、プラグ５２と銅管５０の内壁５０Ａとの隙間に上記分級工程で回収した金属複合材料１を供給した状態で、銅管５０に対して引抜き加工又は押出し加工を施す。これにより、図１２に示すように、銅管５０の内壁に上記プラグ５２の溝及び突条に対応したグルーブ（溝）５０Ｇが形成される。同時に、図１１に示すように、そのグルーブ５０Ｇに上記金属複合材料１が擦り込まれる。
【００３６】
次に、真空炉内において、銅管５０のグルーブ５０Ｇに擦り込まれた金属複合材料１中の銅の表面の一部を昇華させ、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部をグルーブ５０Ｇの表面の一部に露出させる。これにより、銅管５０の内壁５０Ａに、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料１Ａからなるグルーブのウイックを形成することができる。
【００３７】
次いで、上述のように形成された銅管５０を所定の長さに切断し、銅管５０の一端を封止し、当該銅管５０内に作動流体を注入し、銅管５０内を真空引きして銅管５０の他端を封止する。これにより、金属複合材料１Ａからなるグルーブのウイックを有するヒートパイプを製造することができる。
（適用例２）
次に、上述した金属複合材料１Ａをベーパチャンバに適用した場合の例を説明する。
【００３８】
ベーパチャンバの材料には、代表的に銅が用いられる。ベーパチャンバは、平面型のヒートパイプである。このため、ベーパチャンバは、ヒートパイプと略同様の構造を有し、コンテナ内に封入された作動流体の蒸発及び凝縮の相変化により熱を輸送するものである。そして、ベーパチャンバは、ヒートパイプと同様に、作動流体の環流を促すウイックを有している。以下に、金属複合材料１Ａの焼結体からなるウイックを有するベーパチャンバの製造方法を説明する。
【００３９】
まず、図１３に示すように、下コンテナ部品６０及び上コンテナ部品６１（図１４参照、なお図１３では下コンテナ部品６０のみを図示）の内部空間に、上記分級工程で回収した金属複合材料１を配置する。続いて、公知の焼結法によって、これら下コンテナ部品６０及び上コンテナ部品６１を銅の昇華条件にて加熱することにより、金属複合材料１中の銅の一部を昇華させるとともに、金属複合材料１同士を焼結させる（焼結工程）。これにより、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部が金属複合材料１の表面の一部に露出され、図１４に示すように、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料１Ａが形成される。さらに、この金属複合材料１Ａの表面に露出された銅同士が結合され、金属複合材料１Ａの焼結体が形成される。このとき、下コンテナ部品６０の内壁面６０Ａ及び上コンテナ部品６１の内壁面６１Ａが銅で形成されているため、金属複合材料１Ａの焼結体の形成と共に、その焼結体を下コンテナ部品６０の内壁面６０Ａ及び上コンテナ部品６１の内壁面６１Ａに接着させることができる。換言すると、金属複合材料１Ａの焼結体からなるウイックを下コンテナ部品６０の内壁面６０Ａ及び上コンテナ部品６１の内壁面６１Ａに形成することができる。
【００４０】
次に、図１４に示すように、作動流体の投入口（図示略）を除く下コンテナ部品６０の外周と上コンテナ部品６１との外周を、公知の方法により接合してコンテナ６２を形成する。続いて、上記投入口を通じてコンテナ６２内に、当該コンテナ６２内の容積の１０％〜５０％程度の量の作動流体を注入する。その後、コンテナ６２内を真空引きして上記投入口を封止することにより、金属複合材料１Ａの焼結体からなるウイックを有するベーパチャンバ６３を製造することができる。
（変形例）
上記適用方法では、分級工程（ステップＳ３）で回収した金属複合材料１をコンテナ部品６０，６１内に配置するようにしたが、図９（ｂ）の方法と同様に、上記昇華工程（ステップＳ４）後の金属複合材料１Ａをコンテナ部品６０，６１内に配置するようにしてもよい。
（適用例３）
次に、上述した金属複合材料１Ａをヒートスプレッダに適用した場合の例を説明する。
【００４１】
ヒートスプレッダは、半導体素子が動作時に発する熱を大気に放出するための熱拡散板である。ここでは、まず、ヒートスプレッダの構造を説明する。
図１５に示すように、ヒートスプレッダ７０は、その主要部分が板状に形成された板状部７１と、この板状部７１の周囲に一体的に形成された側壁部７２とからなる構造を有している。これら板状部７１と側壁部７２とによって凹部７３が形成されている。図１６に示すように、このヒートスプレッダ７０の凹部７３の底面７３Ａが半導体素子８０の外面（非デバイス面）に接するように配置され、側壁部７２がパッケージ８１上に固定される。このヒートスプレッダ７０の板状部７１の上面７１Ａには、例えばベーパチャンバ８２が取り付けられ、さらに、そのベーパチャンバ８２の上に放熱フィン８３Ａを有するヒートシンク８３が取り付けられる。このようなヒートスプレッダ７０の材料には、代表的に銅（Ｃｕ）が用いられ、さらにその表面にニッケル（Ｎｉ）めっきが施されている。
【００４２】
なお、図１６に示した構成はヒートスプレッダ７０の使用状態を示す一例であり、例えばベーパチャンバ８２を省略して、ヒートスプレッダ７０の上面７１Ａにヒートシンク８３を直接取り付けてもよく、またはベーパチャンバ８２及びヒートシンク８３を省略してもよい。
【００４３】
次に、このように構成されたヒートスプレッダ７０に金属複合材料１Ａを適用する方法を説明する。
まず、図１５に示すように、上記ヒートスプレッダ７０の上面７１Ａに所定のピッチで深さ０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の溝７４を加工する。この溝７４に、上記分級工程で回収した金属複合材料１を詰め込む。なお、この工程は、コールドスプレー法によりヒートスプレッダ７０の上面７１Ａに上記金属複合材料１を堆積・皮膜させるようにしてもよい。
【００４４】
続いて、摩擦撹拌接合によって上記溝７４内を含む上面７１Ａに金属複合材料１を擦り込み、金属複合材料１を上面７１Ａに凝着させる。その後、金属複合材料１が凝着されたヒートスプレッダ７０を、真空炉内において銅の昇華条件にて加熱することにより、金属複合材料１中の銅の一部を昇華させ、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部をヒートスプレッダ７０の上面７１Ａに露出させる。これにより、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料１Ａをヒートスプレッダ７０の上面７１Ａに形成することができる。
（適用例４）
次に、金属複合材料１Ａを大気放熱用の平板に適用した場合の例を説明する。
【００４５】
上述のヒートスプレッダの場合と同様に、銅平板の表面に所定のピッチで深さ０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の溝を加工し、その溝に金属複合材料１を詰め込む。続いて、摩擦撹拌接合によって銅平板の表面に金属複合材料１を擦り込み、銅平板の表面に金属複合材料１を凝着させる。その後、銅平板に凝着された金属複合材料１中の銅を真空昇華させ、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部を銅平板の表面の一部に露出させることにより、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料１Ａを銅平板の表面に形成する。
【００４６】
なお、銅平板の表面に上記金属複合材料１を敷き詰めて真空ホットプレスによって熱圧着させることにより、銅平板の表面に金属複合材料１Ａを形成するようにしてもよい。この場合に、例えば加圧状態で高電流を流すことによって銅平板等を加熱するようにしてもよい。これにより、製造効率を向上させることが可能となる。
（その他の適用例）
発熱が製品の寿命や信頼性に大きく影響する製品では、より効率的に冷却・放熱する技術が一般に求められている。例えばＬＥＤ電球が備える放熱板に上記金属複合材料１，１Ａを適用することにより、ＬＥＤ電球を効率良く放熱・冷却することができるようになる。これにより、ＬＥＤ電球の長寿命化を図ることが可能となる。
【００４７】
また、従来の小型プロジェクタでは、その製品寿命に影響する放熱を十分に行うことができないため、明るさを抑えて使用されている。これに対し、本実施形態の金属複合材料１，１Ａを使用した放熱部品を小型プロジェクタに採用することにより、放熱を十分に行うことができるため、明るさを抑える必要がなくなることが期待できる。
【００４８】
また、上記金属複合材料１，１Ａを大型化又は平面化に高圧焼結することにより、はんだやインジウム等の金属接合に用いられる接合用金属又は合金においても、熱伝導度や電気伝導度を向上させることができるため、熱伝導度や電気伝導度を向上させた金属間接合部材を製造することも可能となる。
【００４９】
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）金属複合材料１，１Ａでは、熱伝導度が銅よりも３倍〜４倍程度高いカーボンナノチューブが表面に露出される。このため、金属複合材料１，１Ａの表面を熱が伝わりやすくなり、金属複合材料１，１Ａの熱伝導度を複合前の銅粉末のそれと比べて飛躍的に向上させることができる。
【００５０】
（２）表面に露出されるカーボンナノチューブには、粉砕して表面が活性化したカーボンナノチューブ、つまり親水性の良いカーボンナノチューブが含まれる。このため、金属複合材料１，１Ａの親水性を複合前の銅粉末のそれと比べて大幅に向上させることができる。これにより、このような金属複合材料１，１Ａを例えばヒートパイプやベーパチャンバのウイックに適用した場合に、作動流体を狭い空隙にも浸透させることができ、大きな受熱放熱面積を得ることができる。これにより、受熱効率及び放熱効率を向上させることができる。
【００５１】
（３）金属複合材料１Ａの表面が、カーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成されている。これにより、金属複合材料１Ａの表面積が大きくなるため、ヒートパイプやベーパチャンバのウイックにその金属複合材料１Ａを適用した場合に、作動流体との接触面積を大幅に大きくすることができる。これにより、受熱効率及び放熱効率を向上させることができる。
【００５２】
（４）カーボンナノチューブが表面に露出された金属複合材料１，１Ａを大気放熱部に敷き詰めることにより、赤外線の放出度が高まり、大気中に容易に熱を逃がすことが可能となる。
【００５３】
（５）金属複合材料１，１Ａを各種放熱部品に適用することにより、発熱部品を効率的に放熱することができる。このため、発熱部品の高信頼性化や長寿命化に貢献することができる。さらに、放熱部品を小型化することが可能となるため、機器の小型化にも貢献することができる。
【００５４】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記実施形態における混合工程を省略してもよい。この場合、例えば凝着工程で使用する高速衝突装置１０の中で、金属粉末と炭素材料とを混合すればよい。
【００５５】
・上記実施形態における分級工程を省略してもよい。
・上記実施形態における昇華工程を省略してもよい。
・上記実施形態における高速衝突装置１０のロータ１４の回転数は特に制限されない。すなわち、ロータ１４の回転数は、炭素材料の一部が粉砕され、且つ炭素材料が金属粉末に凝着される強度の機械的衝撃力を、金属粉末及び炭素材料に与えられる回転数であれば良い。このため、ロータ１４の回転数は、使用する金属粉末の種類（硬度など）や炭素材料の種類（硬度など）に応じて適宜設定すればよい。
【００５６】
・上記実施形態の凝着工程において使用する装置は、図２に示す高速衝突装置１０に特に制限されない。すなわち、炭素材料の一部が粉砕され、且つ炭素材料が金属粉末に凝着される強度の機械的衝撃力を、金属粉末及び炭素材料に与えられる装置であれば、その構成は特に制限されない。
【実施例】
【００５７】
次に、実施例及び比較例を挙げて上記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
平均粒径１００μｍの銅粉末と、平均繊維径１０ｎｍ〜２５ｎｍ及び平均繊維長２μｍ〜１０μｍのカーボンナノチューブとを準備し、これら銅粉末とカーボンナノチューブとの混合物中に、カーボンナノチューブが１．０質量％含まれるように秤量した。図２に示した高速衝突装置１０を用いて、アルゴンガス雰囲気下で、ロータ１４を周速度７０ｍ／ｓで３分間回転させて、上記混合物に機械的衝撃力を加えた。この凝着工程によって得られた金属複合材料を分級によって回収した。
【００５８】
一方、サイズ３０×３０ｍｍ及び板状部の厚み３ｍｍのヒートスプレッダの凹部に、上記回収した金属複合材料を配置した。このヒートスプレッダを真空炉内に入れ、真空度１×１０−３Ｐａ及び温度９００度の昇華条件で銅の一部を昇華させ、カーボンナノチューブを表面に５０％露出させた。
【００５９】
このように製造されたヒートスプレッダについて、水に対する濡れ性を評価した。この結果を図１７に示している。また、上述のように製造されたヒートスプレッダの蒸発潜熱の熱特性を測定した。この結果を図１８に示している。
＜濡れ性評価＞
大気中において、実施例１のヒートスプレッダの凹部底面に純水２０μｌを滴下したときの凹部底面の様子を観察した（図１７（ａ）参照）。この比較例として、大気中において、銅板（図１７（ｂ）参照）、銅粉末の焼結体（図１７（ｃ）参照）及び酸化銅粉末の焼結体（図１７（ｄ）参照）のそれぞれの表面に純水２０μｌを滴下したときの各表面の様子を観察した。
【００６０】
図１７（ｂ）〜（ｄ）から明らかなように、比較例では、各表面上で純水がドーム状又は球状になっており、滴下された純水との接触角が大きく、純水に対する濡れ性が悪い。また、比較例では、大気中に晒したことによって、直ぐに酸化膜が形成されてしまい、その酸化膜によって濡れ性がさらに悪化した。
【００６１】
これに対し、実施例１では、滴下された純水がヒートスプレッダ内部に直ちに吸い込まれ、純水に対する濡れ性、つまり親水性が向上していることが確認された。これは、凝着工程において粉砕されたカーボンナノチューブの親水性が向上し、そのカーボンナノチューブがヒートスプレッダの凹部底面に露出しているためであると考えられる。さらに、実施例１では、大気中において同様の測定を繰り返し行っても、濡れ性の劣化は確認されなかった。すなわち、実施例１では、ヒートスプレッダが大気中に晒されてもその表面が酸化されなかった。これは、ヒートスプレッダ表面中に存在するカーボンナノチューブによって、メカノケミカル的に酸化が防止されていると考えられる。
＜熱特性の測定＞
（比較例１）
サイズ３０×３０ｍｍで板状部の厚みが３ｍｍである銅製のヒートスプレッダを測定に使用した。
（測定方法）
各例のヒートスプレッダの凹部底面を上側に向けて上部を大気中に開放した状態で、室温時に凹部底面に１０００μｌの純水を滴下した。その後、ヒートスプレッダの凹部底面と反対側の面に接触させたヒータブロックをヒータ（１００度）にて加熱し、ヒータブロック内部の温度変化を測定した。
（測定結果）
図１８から明らかなように、実施例１では、安定域、つまり滴下された純水を蒸発させている期間（約２１０ｓ〜４５０ｓ）の温度が、比較例１の場合のそれと比べて１４度〜２４度低く、熱特性が向上していることが分かる。また、実施例１では、滴下された純水が完全に蒸発するまでの時間（約４５０ｓ）が、比較例１の場合のそれと比べて大幅に短縮されており、放熱効率が大幅に向上していることが分かる。
【符号の説明】
【００６２】
１，１Ａ 金属複合材料
２ 凝着層
１０ 高速衝突装置
３０ ヒートパイプ
３１ コンテナ
３１Ａ 内壁面
３２ ウイック
３３ 内部空間
６０ 下コンテナ部品
６０Ａ 内壁面
６１ 上コンテナ部品
６１Ａ 内壁面
６２ コンテナ
６３ ベーパチャンバ
７０ ヒートスプレッダ
７１Ａ 上面（表面）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属複合材料の製造方法、金属複合材料、放熱部品の製造方法及び放熱部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等に使用される半導体素子の高性能化・高速度化に伴って、その半導体素子から発熱する発熱量が年々増大している。この発熱量の増大に伴って半導体素子の温度が上昇すると、誤動作などの問題が生じる。
【０００３】
そこで、このような問題の発生を回避するために、半導体素子を放熱・冷却する技術が様々提案されている。例えば半導体素子に高熱伝導性の金属からなる熱拡散板（ヒートスプレッダ）を取り付け、そのヒートスプレッダに放熱フィンを有するヒートシンクを取り付ける手段が提案されている。この場合、冷却すべき半導体素子の発する熱は、ヒートスプレッダに一旦拡散してからヒートシンクを経て放熱される。
【０００４】
また、ヒートスプレッダとヒートシンクとの間に、密閉容器内に作動流体を封入して内壁に毛細管構造（ウイック）を備えたヒートパイプやベーパチャンバを介在させて、作動流体の蒸発潜熱により、ヒートスプレッダを介して半導体素子を放熱・冷却する手段も提案されている。この場合、半導体素子の発する熱がヒートスプレッダに一旦拡散され、そのヒートスプレッダからヒートパイプ又はベーパチャンバが熱を受け取ることで、作動流体が潜熱を奪って蒸発する。そして、その作動流体の蒸気が温度の低い方に向かって流れることで、半導体素子の発する熱が拡散され、結果的に発熱体が冷却される。
【０００５】
なお、上記従来技術に関連する先行技術として、特許文献１，２が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１８０８７１号公報
【特許文献２】特開２００３−２２２４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述したような放熱又は熱伝導機能を有する放熱部品では、放熱効率を高めるために、熱伝導度の高い金属（例えば、銅やアルミニウム）が材料として使用されている。また、とくにヒートパイプやベーパチャンバなどでは、細い銅線を編んだウイックや銅粉末の焼結体のウイックを使用することにより、作動流体との接触面積を大きくして放熱効率を向上させている。しかしながら、そのような金属では熱伝導度が決まっているため、材料の面からこれ以上放熱効率を向上させることはできず、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、放熱効率を向上させることのできる金属複合材料の製造方法、金属複合材料、放熱部品の製造方法及び放熱部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、金属複合材料は、炭素材料と金属粉末とに対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記金属粉末表面に前記炭素材料を凝着させる凝着工程を有する製造方法によって製造される。
【００１０】
この方法によれば、凝着工程において金属粉末の表面に炭素材料が凝着される。これにより、金属粉末よりも高い熱伝導度を有する炭素材料が表面に露出されることで、金属複合材料の熱伝導度を向上させることができる。
【００１１】
また、凝着工程において炭素材料の少なくとも一部が粉砕され、その粉砕によって炭素材料の親水性が向上される。このように親水性の向上した炭素材料が表面に露出されるため、金属複合材料の親水性を向上させることができる。このため、この金属複合材料をヒートパイプやベーパチャンバのウイックに使用することにより、作動流体を狭い空隙にも浸透させることができ、作動流体との接触面積が増大して大きな放熱面積を得ることができる。これにより、放熱効率を向上させることができる。
【００１２】
本発明の一観点によれば、金属複合材料は、表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、前記凝着された炭素材料が表面の一部に露出されてなる。
この構成によれば、金属粉末よりも高い熱伝導度を有する炭素材料を表面に露出させることで、金属複合材料の熱伝導度を向上させることができる。また、親水性が付与された炭素材料が表面に露出されるため、金属複合材料の親水性を向上させることができる。このため、この金属複合材料をヒートパイプやベーパチャンバのウイックに使用することにより、作動流体を狭い空隙にも浸透させることができ、作動流体との接触面積が増大して大きな放熱面積を得ることができる。これにより、放熱効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の一観点によれば、放熱部品は、炭素材料と金属粉末とに対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記金属粉末表面に前記炭素材料を凝着させた金属複合材料を形成する凝着工程と、前記金属複合材料を放熱部品の表面又は内部空間に配置し、前記放熱部品を加熱することにより、前記放熱部品の表面又は内壁面に前記金属複合材料を接着させる焼結工程と、を有する製造方法によって製造される。
【００１４】
この方法によれば、凝着工程において金属粉末の表面に炭素材料が凝着される。これにより、金属粉末よりも高い熱伝導度を有する炭素材料が表面に露出されることで、金属複合材料の熱伝導度を向上させることができる。また、凝着工程において炭素材料の少なくとも一部が粉砕され、その粉砕によって炭素材料の親水性が向上される。このように親水性の向上した炭素材料が表面に露出されるため、金属複合材料の親水性を向上させることができる。そして、焼結工程において、このような金属複合材料が放熱部品の表面又は内壁面に接着されるため、その放熱部品の熱伝導度及び親水性を向上させることができる。
【００１５】
本発明の一観点によれば、放熱部品は、表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、前記凝着された炭素材料が表面の一部に露出されてなる金属複合材料が、表面又は内壁面に接着されてなる。
【００１６】
この構成によれば、金属粉末よりも高い熱伝導度を有する炭素材料を表面に露出させることで、金属複合材料の熱伝導度を向上させることができる。また、親水性が付与された炭素材料が表面に露出されるため、金属複合材料の親水性を向上させることができる。そして、このような金属複合材料が放熱部品の表面又は内壁面に接着されているため、その放熱部品の熱伝導度及び親水性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一観点によれば、放熱効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】金属複合材料の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】高速衝突装置を示す模式図である。
【図３】凝着工程後の金属複合材料の断面構造を示す模式図である。
【図４】凝着工程後の金属複合材料の断面構造の走査イオン顕微鏡画像である。
【図５】凝着工程後の金属複合材料の超高分解能ＦＥ−ＳＥＭ画像である。
【図６】昇華工程後の金属複合材料の走査電子顕微鏡画像である。
【図７】ヒートパイプを示す断面図である。
【図８】ヒートパイプの製造方法を示す断面図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、放熱部品の製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】ウイック用線材の製造方法を示す断面図である。
【図１１】ヒートパイプの製造方法を示す断面図である。
【図１２】グルーブを示す斜視断面図である。
【図１３】ベーパチャンバの製造方法を示す断面図である。
【図１４】ベーパチャンバの製造方法を示す断面図である。
【図１５】ヒートスプレッダを示す断面図である。
【図１６】ヒートスプレッダの使用状態例を示す断面図である。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）は、純水を滴下した際の光学顕微鏡画像である。
【図１８】蒸発潜熱の熱特性測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、一実施形態を図１〜図１６に従って説明する。
（金属複合材料）
本実施形態の金属複合材料は、表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、その凝着された炭素材料が当該金属複合材料の表面の一部に露出されて構成されるものである。具体的には、金属複合材料は、金属粉末の表面及び表面直下に、機械的エネルギーによって粉砕された炭素材料及び未粉砕の炭素材料が凝着され、それら炭素材料が当該金属複合材料の表面の一部に露出されて構成されるものである。より具体的には、金属複合材料は、その表面が上述した炭素材料と金属粉末の結晶粒とによって凹凸状に形成されて構成されるものである。
【００２０】
金属粉末としては、例えば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）等の金属の粉末又はこれらの金属を少なくとも一種以上含む合金（はんだ等）の粉末を使用することができる。なお、金属粉末は、粒径の異なる同一種類の金属粉末を混合して用いてもよい。熱伝導度の高い金属粉末、例えばＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ等の粉末を使用することにより、熱伝導度のより高い金属複合材料を得ることができる。
【００２１】
また、炭素材料としては、アモルファス炭素、炭素繊維又はナノカーボンを使用することができる。ナノカーボンとしては、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイト、グラフェン、フラーレン、及びナノダイアモンド等の結晶性を有するカーボン材を使用することができる。なお、これらの炭素材料は、単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。結晶性の高いナノカーボン、例えばカーボンナノチューブや黒鉛等を使用することにより、熱伝導度のより高い金属複合材料を得ることができる。
【００２２】
この炭素材料の含有量は、金属複合材料に対して、例えば０．１質量％〜５質量％である。なお、金属複合材料中の炭素材料の含有量は、超高分解能ＦＥ−ＳＥＭや透過型電子顕微鏡による形態観察や、元素分析及び「ＪＩＳ Ｚ ２６１５ 金属材料の炭素定量方法通則」に従って分析することによって測定することができる。
（金属複合材料の製造方法）
次に、このように構成された金属複合材料の製造方法を図１〜図６に従って説明する。
【００２３】
金属複合材料の製造方法は、図１に示すように、金属粉末と炭素材料とを混合する混合工程（ステップＳ１）と、金属粉末に炭素材料を凝着させる凝着工程（ステップＳ２）と、未凝着の粒子を分級除去する分級工程（ステップＳ３）と、金属粉末の一部を昇華させて炭素材料の一部を表面に露出させる昇華工程（ステップＳ４）とを有する。なお、ここでは、金属粉末として銅粉末を使用し、炭素材料としてカーボンナノチューブを使用して金属複合材料を製造する方法を説明する。
（混合工程）
まず、混合工程では、銅粉末とカーボンナノチューブとが混合される（ステップＳ１）。このとき、銅粉末とカーボンナノチューブとの混合割合は、特に限定されないが、例えば０．１質量％〜５質量％のカーボンナノチューブが混合物中に含まれるようにする。また、銅粉末の粒子形状や粒径は特に限定されないが、例えば４０μｍ〜３ｍｍの粒径の銅粉末を使用する。このような混合割合及び粒径とすることにより、次の凝着工程において好適にカーボンナノチューブを銅粉末に凝着させることができる。
【００２４】
上記カーボンナノチューブは、六角網目状のグラファイトシート（グラフェン）が円筒状をなした構造を有している。カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブであってもよいし、多層カーボンナノチューブであってもよい。また、フラーレンを内包したカーボンナノチューブであってもよい。カーボンナノチューブの製法としては、特に限定されず、例えばアーク放電法、レーザー蒸発法、化学気相成長法等が挙げられる。
（凝着工程）
次に、凝着工程では、銅粉末とカーボンナノチューブとの混合物に機械的衝撃力を加えることによって、銅粉末の表面及び表面直下内部にカーボンナノチューブが凝着される（ステップＳ２）。このような機械的衝撃力を与える方法としては、例えば図２に示す高速衝突装置１０を用いる方法が挙げられる。ここで、まず、高速衝突装置１０の構造について説明する。
【００２５】
高速衝突装置１０は、円筒状のステータ１１とそのステータ１１の両端面を塞ぐカバー（図示略）とによって形成される衝撃室１２内に、回転軸１３によって衝撃室１２内を回転可能に軸支された円盤状のロータ１４を備えている。このロータ１４の盤上には、放射状に周設された複数のブレード１５が固着されている。また、高速衝突装置１０は、一端がステータ１１の内壁の一部に開口し、他端が上記カバーの一部に開口して閉回路を形成する循環管１６を備えている。この循環管１６には、原料を投入するための原料ホッパー１７が、開閉弁１８と原料供給用シュート１９とを通じて連結されている。また、高速衝突装置１０は、ステータ１１の一部に設けられた排出弁２０によって開閉される排出シュート２１を備えている。この排出シュート２１には、処理済の粉末を回収する粉末回収器２２が連結されている。
【００２６】
次に、このように構成された高速衝突装置１０を用いた凝着工程の処理方法を説明する。
まず、カーボンナノチューブが酸化燃焼しない雰囲気、例えば不活性ガス（アルゴンガス等）や窒素ガス等を雰囲気として、上記混合工程にて混合された銅粉末及びカーボンナノチューブが原料供給用シュート１９を介して衝撃室１２に供給される。このとき、開閉弁１８及び排出弁２０を閉じた状態で、図示しない駆動手段により回転軸１３を介してロータ１４を、周速度５０ｍ／ｓ〜１５０ｍ／ｓ程度で１分〜３分間回転させる。これにより、銅粉末及びカーボンナノチューブは、衝撃室１２内を高速で回転しながら飛散し、その間にステータ１１の表面やブレード１５に回転しながら衝突する。衝突した銅粉末及びカーボンナノチューブは、ステータ１１に開口している循環管１６を循環した後、再び衝撃室１２に供給される。このようにして、銅粉末及びカーボンナノチューブが、ロータ１４の回転にしたがって衝撃室１２と循環管１６との間を多数回循環される。この間、ステータ１１やロータ１４への衝突が繰り返されることにより、カーボンナノチューブの表面に強い機械的エネルギーが発生し、カーボンナノチューブの一部が粉砕される。このように粉砕されたカーボンナノチューブでは、粉砕などの機械的エネルギーが化学的なエネルギーの形で表面に蓄えられ、その結果、物理化学的性質の変化が誘起され、表面の活性が高められる（メカノケミカル効果）。そして、このメカノケミカル効果によって、粉砕後のカーボンナノチューブでは親水性が高められる。
【００２７】
また、衝撃室１２と循環管１６とを循環する間、銅粉末及びカーボンナノチューブには、上述したステータ１１やブレード１５への衝突力に加えて、粒子同士の衝突力が与えられる。このような機械的衝撃力によって、銅粉末の表面にカーボンナノチューブが凝着され、さらに銅粉末同士の衝突によって、銅粉末表面に凝着したカーボンナノチューブが叩かれて、カーボンナノチューブが銅粉末の表面直下に埋め込まれる。すなわち、ロータ１４の回転により与えられる機械的衝撃力によって、銅粉末の表面及び表面直下にカーボンナノチューブが凝着される。これにより、図３及び図４に示すように、カーボンナノチューブと銅粉末とが複合化された金属複合材料１が形成され、その金属複合材料１の最表層に、銅粉末の結晶粒とカーボンナノチューブとが凝着された凝着層２が形成される。この凝着層２には、図５に示すように、未粉砕のカーボンナノチューブと粉砕されたカーボンナノチューブとが埋め込まれている。なお、カーボンナノチューブが埋め込まれる表面直下の領域（凝着層２）は、例えば金属複合材料１の表面から５μｍ〜１２μｍ程度までの範囲である。また、図３及び図４に示すように、凝着層２よりも中心側には、上述した機械的衝撃力によって銅粉末の母結晶が微細化された微細結晶組織３が形成されている。さらに、微細結晶組織３よりも中心側には、破壊されていない銅粉末の母結晶組織４が形成されている。
【００２８】
そして、所定時間経過後、図２に示す排出弁２０を開くことにより、金属複合材料１を含む処理後の試料が排出シュート２１を通じて回収器２２にて回収される。
このような凝着工程において、銅粉末にカーボンナノチューブが埋め込まれることによって、銅粉末からのカーボンナノチューブの脱離が抑制され、後工程（昇華工程）で均質な複合材料を得ることができる。
（分級工程）
図１に示すように、次の分級工程では、上記金属複合材料１のみを回収するために、その金属複合材料１以外の試料を分級除去する（ステップＳ３）。具体的には、未凝着のカーボンナノチューブ、未凝着の銅粉末、及び銅粉末同士が凝着された銅粉末を分級除去する。なお、この分級工程は、例えばエルボージェット型の気流分級装置により行うことができる。
（昇華工程）
次に、昇華工程では、上記分級工程により回収された金属複合材料１を加熱して、金属複合材料１の表面、つまり凝着層２中の銅の一部を昇華させる（ステップＳ４）。具体的には、カーボンナノチューブが酸化燃焼しない雰囲気（例えば真空、不活性ガスや窒素ガス）下で、銅の昇華条件にて金属複合材料１を加熱して、凝着層２中の銅の一部を昇華させる。より具体的には、例えば真空炉中において、真空度１×１０−３Ｐａ〜１×１０−４Ｐａ及び温度８００度〜１１００度にて金属複合材料１を加熱して、凝着層２中の銅の一部を昇華させ、凝着層２中のカーボンナノチューブを金属複合材料１の表面の一部（例えば、表面積の１％〜７０％程度）に露出させる。なお、昇華時間は、特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブが金属複合材料１の表面の１％〜７０％の面に露出されるように設定すればよい。なお、この金属複合材料１中のカーボンナノチューブの露出度合は、例えば超高分解能ＦＥ−ＳＥＭや電子顕微鏡による組織観察等によって測定することができる。
【００２９】
このような昇華工程後によって得られる金属複合材料１Ａは、図６に示すように、その表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成され、その表面積が複合前の銅粉末のそれよりも増大されている。ここで、熱伝導度が銅よりも３倍〜４倍程度高いカーボンナノチューブが表面に露出されるため、金属複合材料１Ａの表面を熱が伝わりやすくなり、金属複合材料１Ａの熱伝導度を複合前の銅粉末のそれと比べて飛躍的に向上させることができる。また、表面に露出されるカーボンナノチューブには、上述した粉砕後のカーボンナノチューブ、つまり親水性の良いカーボンナノチューブが含まれる。このため、金属複合材料１Ａの親水性を複合前の銅粉末のそれと比べて大幅に向上させることができる。さらに、表面が凹凸状に形成されることで表面積が大きくなるため、例えばヒートパイプやベーパチャンバ等に上記金属複合材料１Ａを適用した場合に、作動流体との接触面積を大幅に広げることができる。これにより、受熱効率及び放熱効率を向上させることができる。
（適用例）
以上説明した金属複合材料１Ａ（又は金属複合材料１）は、熱伝導度及び親水性に優れているため、ヒートパイプ、ベーパチャンバ、ヒートスプレッダ、ヒートシンクや熱交換器等のように放熱又は熱伝導機能を有する放熱部品に幅広く適用することができる。以下に、このような放熱部品に金属複合材料１Ａを適用した場合の具体例を説明する。
（適用例１）
まず、上述した金属複合材料１Ａをヒートパイプに適用した場合の例を説明する。
【００３０】
ヒートパイプの材料には、代表的に銅が用いられる。図７に示すように、ヒートパイプ３０は、密閉したコンテナ３１の内部に、凝縮性の流体（例えば、水やアルコールなど）が作動流体として封入された構造を有している。このヒートパイプ３０は、外部からの入熱によって作動流体を蒸発部で蒸発させるとともに、その蒸気を凝縮部に流動させた後、放熱させて凝縮させることにより、作動流体の潜熱として熱を輸送するように構成したものである。このヒートパイプ３０では、凝縮部に熱が輸送された後、凝縮した液相の作動流体をウイック３２による毛細管圧力によって、蒸発部に環流させている。このウイックは、例えば粉末の焼結体、編組、細線の束やグルーブなどのウイック材により構成されている。以下に、このウイック材に上記金属複合材料１Ａを適用する方法を説明する。
（粉末の焼結体）
まず、図９（ａ）に示す配置工程（ステップＳ５）では、上記分級工程（ステップＳ３）で回収した金属複合材料１を、図８に示すように一端（例えば、蒸発部側の端部）を封止したコンテナ３１の内部空間３３に配置する。続いて、図９（ａ）に示す焼結工程（ステップＳ６）では、金属複合材料１が配置されたコンテナ３１を、公知の焼結法によって銅の昇華条件にて加熱することにより、金属複合材料１の凝着層２（図３参照）中の銅の一部を昇華させるとともに、金属複合材料１同士を焼結させる。これにより、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部が金属複合材料１の表面の一部に露出され、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料１Ａが形成される。さらに、この金属複合材料１Ａの表面に露出された銅同士が結合され、金属複合材料１Ａの焼結体が形成される。このとき、コンテナ３１の内壁面３１Ａが銅で形成されているため、金属複合材料１Ａの焼結体の形成と共に、その焼結体をコンテナ３１の内壁面３１Ａに接着することができる。換言すると、金属複合材料１Ａの焼結体からなるウイックをコンテナ３１の内壁面３１Ａに形成することができる。
【００３１】
なお、上述した焼結工程は、例えばパルス通電焼結法、ホットプレス法、真空焼結法、ガス圧焼結法や熱間等方加圧焼結法などの公知の焼結法により行うことができる。この焼結工程は、好ましくは真空又は不活性ガスの雰囲気下で行われる。また、焼結温度等の焼結条件は、採用する焼結法、使用する金属粉末の種類や使用する金属粉末の昇華条件（真空度及び温度等）に応じて適宜設定すればよい。
【００３２】
そして、上記焼結工程後、コンテナ３１に作動流体を注入し、コンテナ３１内を真空引きして凝縮部側の端部を封止することにより、ヒートパイプ３０を製造することができる。
（変形例）
上記適用方法では、分級工程（ステップＳ３）で回収した金属複合材料１をコンテナ３１内に配置するようにしたが、図９（ｂ）に示すように、上記昇華工程（ステップＳ４）後の金属複合材料１Ａをコンテナ３１内に配置するようにしてもよい。具体的には、図９（ｂ）に示す配置工程（ステップＳ７）では、昇華工程（ステップＳ４）で得られた金属複合材料１Ａを、図８に示すように一端を封止したコンテナ３１の内部空間３３に配置する。この場合、その後の焼結工程（ステップＳ８）において、金属複合材料１Ａが配置されたコンテナ３１を、公知の焼結法によって加熱することにより、コンテナ３１の内壁面３１Ａに金属複合材料１Ａを接着させる。このとき、金属複合材料１Ａの表面に露出された銅同士が結合され、金属複合材料１Ａの焼結体が形成されるため、コンテナ３１の内壁面３１Ａには金属複合材料１Ａの焼結体を接着させることができる。
（編組又は細線の束）
図１０に示すように、引抜きダイス４０の内面に上記分級工程で回収した金属複合材料１を供給した状態で、純銅線４１を引抜き加工により細線化する。これにより、銅線４１の表面に金属複合材料１が埋め込まれつつ、銅線が所望の径に細線化される。このとき、上記金属複合材料１は、引抜き加工における固体潤滑剤としても機能する。
【００３３】
次に、連続真空炉内において、細線化した銅線４１を銅の昇華条件にて加熱することにより、銅線４１（具体的には、銅線４１に埋め込まれた金属複合材料１の表面）の銅の一部を昇華させる。これにより、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部が銅線４１の表面の一部に露出され、銅線４１の表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成される。すなわち、金属複合材料１Ａが銅線４１の表面に形成される。
【００３４】
続いて、このように形成された銅線４１（細線）をメッシュ状に編むことにより、編組のウイック材を形成することができる。また、上述のように形成された銅線４１（細線）を、細線の束のウイック材として使用することもできる。なお、これら編組のウイック材及び細線の束のウイック材は、後述するベーパチャンバのウイック材としても使用することができる。
【００３５】
そして、このように製造された編組のウイック材又は細線の束のウイック材を、一端を封止したコンテナ内に配置する。続いて、そのコンテナを加熱することにより、コンテナの内壁面に上記ウイック材を接着する。その後、コンテナに作動流体を注入し、コンテナ内を真空引きして他端を封止することにより、編組のウイック又は細線の束のウイックを有するヒートパイプを製造することができる。
（グルーブ）
図１１に示すように、銅管５０をダイス５１にセットし、グルーブ加工用のプラグ５２、つまり外周面に溝及び突条を有するプラグ５２を銅管５０内に挿入する。続いて、プラグ５２と銅管５０の内壁５０Ａとの隙間に上記分級工程で回収した金属複合材料１を供給した状態で、銅管５０に対して引抜き加工又は押出し加工を施す。これにより、図１２に示すように、銅管５０の内壁に上記プラグ５２の溝及び突条に対応したグルーブ（溝）５０Ｇが形成される。同時に、図１１に示すように、そのグルーブ５０Ｇに上記金属複合材料１が擦り込まれる。
【００３６】
次に、真空炉内において、銅管５０のグルーブ５０Ｇに擦り込まれた金属複合材料１中の銅の表面の一部を昇華させ、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部をグルーブ５０Ｇの表面の一部に露出させる。これにより、銅管５０の内壁５０Ａに、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料１Ａからなるグルーブのウイックを形成することができる。
【００３７】
次いで、上述のように形成された銅管５０を所定の長さに切断し、銅管５０の一端を封止し、当該銅管５０内に作動流体を注入し、銅管５０内を真空引きして銅管５０の他端を封止する。これにより、金属複合材料１Ａからなるグルーブのウイックを有するヒートパイプを製造することができる。
（適用例２）
次に、上述した金属複合材料１Ａをベーパチャンバに適用した場合の例を説明する。
【００３８】
ベーパチャンバの材料には、代表的に銅が用いられる。ベーパチャンバは、平面型のヒートパイプである。このため、ベーパチャンバは、ヒートパイプと略同様の構造を有し、コンテナ内に封入された作動流体の蒸発及び凝縮の相変化により熱を輸送するものである。そして、ベーパチャンバは、ヒートパイプと同様に、作動流体の環流を促すウイックを有している。以下に、金属複合材料１Ａの焼結体からなるウイックを有するベーパチャンバの製造方法を説明する。
【００３９】
まず、図１３に示すように、下コンテナ部品６０及び上コンテナ部品６１（図１４参照、なお図１３では下コンテナ部品６０のみを図示）の内部空間に、上記分級工程で回収した金属複合材料１を配置する。続いて、公知の焼結法によって、これら下コンテナ部品６０及び上コンテナ部品６１を銅の昇華条件にて加熱することにより、金属複合材料１中の銅の一部を昇華させるとともに、金属複合材料１同士を焼結させる（焼結工程）。これにより、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部が金属複合材料１の表面の一部に露出され、図１４に示すように、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料１Ａが形成される。さらに、この金属複合材料１Ａの表面に露出された銅同士が結合され、金属複合材料１Ａの焼結体が形成される。このとき、下コンテナ部品６０の内壁面６０Ａ及び上コンテナ部品６１の内壁面６１Ａが銅で形成されているため、金属複合材料１Ａの焼結体の形成と共に、その焼結体を下コンテナ部品６０の内壁面６０Ａ及び上コンテナ部品６１の内壁面６１Ａに接着させることができる。換言すると、金属複合材料１Ａの焼結体からなるウイックを下コンテナ部品６０の内壁面６０Ａ及び上コンテナ部品６１の内壁面６１Ａに形成することができる。
【００４０】
次に、図１４に示すように、作動流体の投入口（図示略）を除く下コンテナ部品６０の外周と上コンテナ部品６１との外周を、公知の方法により接合してコンテナ６２を形成する。続いて、上記投入口を通じてコンテナ６２内に、当該コンテナ６２内の容積の１０％〜５０％程度の量の作動流体を注入する。その後、コンテナ６２内を真空引きして上記投入口を封止することにより、金属複合材料１Ａの焼結体からなるウイックを有するベーパチャンバ６３を製造することができる。
（変形例）
上記適用方法では、分級工程（ステップＳ３）で回収した金属複合材料１をコンテナ部品６０，６１内に配置するようにしたが、図９（ｂ）の方法と同様に、上記昇華工程（ステップＳ４）後の金属複合材料１Ａをコンテナ部品６０，６１内に配置するようにしてもよい。
（適用例３）
次に、上述した金属複合材料１Ａをヒートスプレッダに適用した場合の例を説明する。
【００４１】
ヒートスプレッダは、半導体素子が動作時に発する熱を大気に放出するための熱拡散板である。ここでは、まず、ヒートスプレッダの構造を説明する。
図１５に示すように、ヒートスプレッダ７０は、その主要部分が板状に形成された板状部７１と、この板状部７１の周囲に一体的に形成された側壁部７２とからなる構造を有している。これら板状部７１と側壁部７２とによって凹部７３が形成されている。図１６に示すように、このヒートスプレッダ７０の凹部７３の底面７３Ａが半導体素子８０の外面（非デバイス面）に接するように配置され、側壁部７２がパッケージ８１上に固定される。このヒートスプレッダ７０の板状部７１の上面７１Ａには、例えばベーパチャンバ８２が取り付けられ、さらに、そのベーパチャンバ８２の上に放熱フィン８３Ａを有するヒートシンク８３が取り付けられる。このようなヒートスプレッダ７０の材料には、代表的に銅（Ｃｕ）が用いられ、さらにその表面にニッケル（Ｎｉ）めっきが施されている。
【００４２】
なお、図１６に示した構成はヒートスプレッダ７０の使用状態を示す一例であり、例えばベーパチャンバ８２を省略して、ヒートスプレッダ７０の上面７１Ａにヒートシンク８３を直接取り付けてもよく、またはベーパチャンバ８２及びヒートシンク８３を省略してもよい。
【００４３】
次に、このように構成されたヒートスプレッダ７０に金属複合材料１Ａを適用する方法を説明する。
まず、図１５に示すように、上記ヒートスプレッダ７０の上面７１Ａに所定のピッチで深さ０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の溝７４を加工する。この溝７４に、上記分級工程で回収した金属複合材料１を詰め込む。なお、この工程は、コールドスプレー法によりヒートスプレッダ７０の上面７１Ａに上記金属複合材料１を堆積・皮膜させるようにしてもよい。
【００４４】
続いて、摩擦撹拌接合によって上記溝７４内を含む上面７１Ａに金属複合材料１を擦り込み、金属複合材料１を上面７１Ａに凝着させる。その後、金属複合材料１が凝着されたヒートスプレッダ７０を、真空炉内において銅の昇華条件にて加熱することにより、金属複合材料１中の銅の一部を昇華させ、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部をヒートスプレッダ７０の上面７１Ａに露出させる。これにより、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料１Ａをヒートスプレッダ７０の上面７１Ａに形成することができる。
（適用例４）
次に、金属複合材料１Ａを大気放熱用の平板に適用した場合の例を説明する。
【００４５】
上述のヒートスプレッダの場合と同様に、銅平板の表面に所定のピッチで深さ０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の溝を加工し、その溝に金属複合材料１を詰め込む。続いて、摩擦撹拌接合によって銅平板の表面に金属複合材料１を擦り込み、銅平板の表面に金属複合材料１を凝着させる。その後、銅平板に凝着された金属複合材料１中の銅を真空昇華させ、金属複合材料１中のカーボンナノチューブの一部を銅平板の表面の一部に露出させることにより、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成された金属複合材料１Ａを銅平板の表面に形成する。
【００４６】
なお、銅平板の表面に上記金属複合材料１を敷き詰めて真空ホットプレスによって熱圧着させることにより、銅平板の表面に金属複合材料１Ａを形成するようにしてもよい。この場合に、例えば加圧状態で高電流を流すことによって銅平板等を加熱するようにしてもよい。これにより、製造効率を向上させることが可能となる。
（その他の適用例）
発熱が製品の寿命や信頼性に大きく影響する製品では、より効率的に冷却・放熱する技術が一般に求められている。例えばＬＥＤ電球が備える放熱板に上記金属複合材料１，１Ａを適用することにより、ＬＥＤ電球を効率良く放熱・冷却することができるようになる。これにより、ＬＥＤ電球の長寿命化を図ることが可能となる。
【００４７】
また、従来の小型プロジェクタでは、その製品寿命に影響する放熱を十分に行うことができないため、明るさを抑えて使用されている。これに対し、本実施形態の金属複合材料１，１Ａを使用した放熱部品を小型プロジェクタに採用することにより、放熱を十分に行うことができるため、明るさを抑える必要がなくなることが期待できる。
【００４８】
また、上記金属複合材料１，１Ａを大型化又は平面化に高圧焼結することにより、はんだやインジウム等の金属接合に用いられる接合用金属又は合金においても、熱伝導度や電気伝導度を向上させることができるため、熱伝導度や電気伝導度を向上させた金属間接合部材を製造することも可能となる。
【００４９】
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）金属複合材料１，１Ａでは、熱伝導度が銅よりも３倍〜４倍程度高いカーボンナノチューブが表面に露出される。このため、金属複合材料１，１Ａの表面を熱が伝わりやすくなり、金属複合材料１，１Ａの熱伝導度を複合前の銅粉末のそれと比べて飛躍的に向上させることができる。
【００５０】
（２）表面に露出されるカーボンナノチューブには、粉砕して表面が活性化したカーボンナノチューブ、つまり親水性の良いカーボンナノチューブが含まれる。このため、金属複合材料１，１Ａの親水性を複合前の銅粉末のそれと比べて大幅に向上させることができる。これにより、このような金属複合材料１，１Ａを例えばヒートパイプやベーパチャンバのウイックに適用した場合に、作動流体を狭い空隙にも浸透させることができ、大きな受熱放熱面積を得ることができる。これにより、受熱効率及び放熱効率を向上させることができる。
【００５１】
（３）金属複合材料１Ａの表面が、カーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成されている。これにより、金属複合材料１Ａの表面積が大きくなるため、ヒートパイプやベーパチャンバのウイックにその金属複合材料１Ａを適用した場合に、作動流体との接触面積を大幅に大きくすることができる。これにより、受熱効率及び放熱効率を向上させることができる。
【００５２】
（４）カーボンナノチューブが表面に露出された金属複合材料１，１Ａを大気放熱部に敷き詰めることにより、赤外線の放出度が高まり、大気中に容易に熱を逃がすことが可能となる。
【００５３】
（５）金属複合材料１，１Ａを各種放熱部品に適用することにより、発熱部品を効率的に放熱することができる。このため、発熱部品の高信頼性化や長寿命化に貢献することができる。さらに、放熱部品を小型化することが可能となるため、機器の小型化にも貢献することができる。
【００５４】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記実施形態における混合工程を省略してもよい。この場合、例えば凝着工程で使用する高速衝突装置１０の中で、金属粉末と炭素材料とを混合すればよい。
【００５５】
・上記実施形態における分級工程を省略してもよい。
・上記実施形態における昇華工程を省略してもよい。
・上記実施形態における高速衝突装置１０のロータ１４の回転数は特に制限されない。すなわち、ロータ１４の回転数は、炭素材料の一部が粉砕され、且つ炭素材料が金属粉末に凝着される強度の機械的衝撃力を、金属粉末及び炭素材料に与えられる回転数であれば良い。このため、ロータ１４の回転数は、使用する金属粉末の種類（硬度など）や炭素材料の種類（硬度など）に応じて適宜設定すればよい。
【００５６】
・上記実施形態の凝着工程において使用する装置は、図２に示す高速衝突装置１０に特に制限されない。すなわち、炭素材料の一部が粉砕され、且つ炭素材料が金属粉末に凝着される強度の機械的衝撃力を、金属粉末及び炭素材料に与えられる装置であれば、その構成は特に制限されない。
【実施例】
【００５７】
次に、実施例及び比較例を挙げて上記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
平均粒径１００μｍの銅粉末と、平均繊維径１０ｎｍ〜２５ｎｍ及び平均繊維長２μｍ〜１０μｍのカーボンナノチューブとを準備し、これら銅粉末とカーボンナノチューブとの混合物中に、カーボンナノチューブが１．０質量％含まれるように秤量した。図２に示した高速衝突装置１０を用いて、アルゴンガス雰囲気下で、ロータ１４を周速度７０ｍ／ｓで３分間回転させて、上記混合物に機械的衝撃力を加えた。この凝着工程によって得られた金属複合材料を分級によって回収した。
【００５８】
一方、サイズ３０×３０ｍｍ及び板状部の厚み３ｍｍのヒートスプレッダの凹部に、上記回収した金属複合材料を配置した。このヒートスプレッダを真空炉内に入れ、真空度１×１０−３Ｐａ及び温度９００度の昇華条件で銅の一部を昇華させ、カーボンナノチューブを表面に５０％露出させた。
【００５９】
このように製造されたヒートスプレッダについて、水に対する濡れ性を評価した。この結果を図１７に示している。また、上述のように製造されたヒートスプレッダの蒸発潜熱の熱特性を測定した。この結果を図１８に示している。
＜濡れ性評価＞
大気中において、実施例１のヒートスプレッダの凹部底面に純水２０μｌを滴下したときの凹部底面の様子を観察した（図１７（ａ）参照）。この比較例として、大気中において、銅板（図１７（ｂ）参照）、銅粉末の焼結体（図１７（ｃ）参照）及び酸化銅粉末の焼結体（図１７（ｄ）参照）のそれぞれの表面に純水２０μｌを滴下したときの各表面の様子を観察した。
【００６０】
図１７（ｂ）〜（ｄ）から明らかなように、比較例では、各表面上で純水がドーム状又は球状になっており、滴下された純水との接触角が大きく、純水に対する濡れ性が悪い。また、比較例では、大気中に晒したことによって、直ぐに酸化膜が形成されてしまい、その酸化膜によって濡れ性がさらに悪化した。
【００６１】
これに対し、実施例１では、滴下された純水がヒートスプレッダ内部に直ちに吸い込まれ、純水に対する濡れ性、つまり親水性が向上していることが確認された。これは、凝着工程において粉砕されたカーボンナノチューブの親水性が向上し、そのカーボンナノチューブがヒートスプレッダの凹部底面に露出しているためであると考えられる。さらに、実施例１では、大気中において同様の測定を繰り返し行っても、濡れ性の劣化は確認されなかった。すなわち、実施例１では、ヒートスプレッダが大気中に晒されてもその表面が酸化されなかった。これは、ヒートスプレッダ表面中に存在するカーボンナノチューブによって、メカノケミカル的に酸化が防止されていると考えられる。
＜熱特性の測定＞
（比較例１）
サイズ３０×３０ｍｍで板状部の厚みが３ｍｍである銅製のヒートスプレッダを測定に使用した。
（測定方法）
各例のヒートスプレッダの凹部底面を上側に向けて上部を大気中に開放した状態で、室温時に凹部底面に１０００μｌの純水を滴下した。その後、ヒートスプレッダの凹部底面と反対側の面に接触させたヒータブロックをヒータ（１００度）にて加熱し、ヒータブロック内部の温度変化を測定した。
（測定結果）
図１８から明らかなように、実施例１では、安定域、つまり滴下された純水を蒸発させている期間（約２１０ｓ〜４５０ｓ）の温度が、比較例１の場合のそれと比べて１４度〜２４度低く、熱特性が向上していることが分かる。また、実施例１では、滴下された純水が完全に蒸発するまでの時間（約４５０ｓ）が、比較例１の場合のそれと比べて大幅に短縮されており、放熱効率が大幅に向上していることが分かる。
【符号の説明】
【００６２】
１，１Ａ 金属複合材料
２ 凝着層
１０ 高速衝突装置
３０ ヒートパイプ
３１ コンテナ
３１Ａ 内壁面
３２ ウイック
３３ 内部空間
６０ 下コンテナ部品
６０Ａ 内壁面
６１ 上コンテナ部品
６１Ａ 内壁面
６２ コンテナ
６３ ベーパチャンバ
７０ ヒートスプレッダ
７１Ａ 上面（表面）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材料と金属粉末とに対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記金属粉末表面に前記炭素材料を凝着させる凝着工程を有することを特徴とする金属複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記凝着工程の後に、前記金属粉末の表面の金属の一部を昇華させることにより、前記凝着された炭素材料を前記金属粉末の表面の一部に露出させる昇華工程を有することを特徴とする請求項１に記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記凝着工程の後に、前記炭素材料の凝着された金属粉末以外の試料を分級除去する分級工程を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記機械的衝撃力は、前記炭素材料と前記金属粉末とを、前記炭素材料が粉砕され得る周速度で処理することにより生み出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項７】
表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、前記凝着された炭素材料が表面の一部に露出されてなることを特徴とする金属複合材料。
【請求項８】
前記炭素材料と前記金属粉末の結晶粒とによって表面が凹凸状に形成され、表面積が複合前の前記金属粉末の表面積よりも増大されていることを特徴とする請求項７に記載の金属複合材料。
【請求項９】
前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項７又は８に記載の金属複合材料。
【請求項１０】
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載の金属複合材料。
【請求項１１】
炭素材料と金属粉末とに対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記金属粉末表面に前記炭素材料を凝着させた金属複合材料を形成する凝着工程と、
前記金属複合材料を放熱部品の表面又は内部空間に配置し、前記放熱部品を加熱することにより、前記放熱部品の表面又は内壁面に前記金属複合材料を接着させる焼結工程と、
を有することを特徴とする放熱部品の製造方法。
【請求項１２】
前記凝着工程の後に、前記金属複合材料の表面の金属の一部を昇華させることにより、前記凝着された炭素材料を前記金属複合材料の表面の一部に露出させる昇華工程を有すること特徴とする請求項１１に記載の放熱部品の製造方法。
【請求項１３】
前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の放熱部品の製造方法。
【請求項１４】
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１つに記載の放熱部品の製造方法。
【請求項１５】
表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、前記凝着された炭素材料が表面の一部に露出されてなる金属複合材料が、表面又は内壁面に接着されてなることを特徴とする放熱部品。
【請求項１６】
前記金属複合材料が、前記炭素材料と前記金属粉末の結晶粒とによって表面が凹凸状に形成され、該金属複合材料の表面積が複合前の前記金属粉末の表面積よりも増大されていることを特徴とする請求項１５に記載の放熱部品。
【請求項１７】
前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の放熱部品。
【請求項１８】
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１つに記載の放熱部品。
【請求項１】
炭素材料と金属粉末とに対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記金属粉末表面に前記炭素材料を凝着させる凝着工程を有することを特徴とする金属複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記凝着工程の後に、前記金属粉末の表面の金属の一部を昇華させることにより、前記凝着された炭素材料を前記金属粉末の表面の一部に露出させる昇華工程を有することを特徴とする請求項１に記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記凝着工程の後に、前記炭素材料の凝着された金属粉末以外の試料を分級除去する分級工程を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記機械的衝撃力は、前記炭素材料と前記金属粉末とを、前記炭素材料が粉砕され得る周速度で処理することにより生み出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項７】
表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、前記凝着された炭素材料が表面の一部に露出されてなることを特徴とする金属複合材料。
【請求項８】
前記炭素材料と前記金属粉末の結晶粒とによって表面が凹凸状に形成され、表面積が複合前の前記金属粉末の表面積よりも増大されていることを特徴とする請求項７に記載の金属複合材料。
【請求項９】
前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項７又は８に記載の金属複合材料。
【請求項１０】
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載の金属複合材料。
【請求項１１】
炭素材料と金属粉末とに対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記金属粉末表面に前記炭素材料を凝着させた金属複合材料を形成する凝着工程と、
前記金属複合材料を放熱部品の表面又は内部空間に配置し、前記放熱部品を加熱することにより、前記放熱部品の表面又は内壁面に前記金属複合材料を接着させる焼結工程と、
を有することを特徴とする放熱部品の製造方法。
【請求項１２】
前記凝着工程の後に、前記金属複合材料の表面の金属の一部を昇華させることにより、前記凝着された炭素材料を前記金属複合材料の表面の一部に露出させる昇華工程を有すること特徴とする請求項１１に記載の放熱部品の製造方法。
【請求項１３】
前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の放熱部品の製造方法。
【請求項１４】
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１つに記載の放熱部品の製造方法。
【請求項１５】
表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末に凝着され、前記凝着された炭素材料が表面の一部に露出されてなる金属複合材料が、表面又は内壁面に接着されてなることを特徴とする放熱部品。
【請求項１６】
前記金属複合材料が、前記炭素材料と前記金属粉末の結晶粒とによって表面が凹凸状に形成され、該金属複合材料の表面積が複合前の前記金属粉末の表面積よりも増大されていることを特徴とする請求項１５に記載の放熱部品。
【請求項１７】
前記金属粉末が、銅、銀、金、アルミニウム及びインジウムからなる群から選択される金属の粉末、又は前記群から選択される少なくとも一種の金属を含む合金の粉末であることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の放熱部品。
【請求項１８】
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、フラーレン及びナノダイアモンドから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１つに記載の放熱部品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１５３９４４（Ｐ２０１２−１５３９４４Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１８３（Ｐ２０１１−１４１８３）
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（０００１９０６８８）新光電気工業株式会社 (1,516)
【出願人】（３９１００１６１９）長野県 (64)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（０００１９０６８８）新光電気工業株式会社 (1,516)
【出願人】（３９１００１６１９）長野県 (64)
【Ｆターム（参考）】
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