JP7742468B1

JP7742468B1 - 複合素材

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Publication number: JP7742468B1
Application number: JP2024174351A
Authority: JP
Inventors: 大輝吉田
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2024-10-03
Filing date: 2024-10-03
Publication date: 2025-09-19
Anticipated expiration: 2044-10-03

Abstract

【課題】熱伝導率が高く、電気伝導率が低い複合素材を提供すること。
【解決手段】複合素材は、熱伝導率が１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上である分散材と、前記分散材同士の間に介在する絶縁体と、を備える。例えば、前記分散材は、アルミニウム基金属粉末である。例えば、前記絶縁体は、ガラス転移点が前記分散材の融点以下である酸化物又は樹脂である。例えば、前記複合素材の電気伝導率は０．５×１０^６Ｓ／ｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本開示は複合素材に関する。

特許文献１、２に、圧粉磁心が記載されている。圧粉磁心は、鉄基粉末を、樹脂やセラミックスを含むバインダーとともに圧縮成形したものである。

特開２０１１－２１６７４５号公報特開２０１６－１２６７１号公報

近年、電気自動車やドローン等のモーターを動力としたモビリティの開発が盛んになっている。それに伴って、モーターの高出力化や軽量化が進んでいる。モーターの高出力化に伴い、モーターを構成する材料の熱伝導率を向上させる必要性が高まっている。現在、軽量化を目的としてモーターのケース等の構造用部材の材料としてＣＦＰＲが採用されている場合があるが、熱伝導率がさらに高い材料が求められている。

また、回転するモーターの周辺では磁束の変化が激しい。電気伝導率の高い材料がモーターの周辺にあると、誘導電流が多く発生し、モーターの回転の抵抗になったり、発熱の原因になったりするため好ましくない。そのため、モーターを構成する材料の電気伝導率は低いことが好ましい。

特許文献１、２に記載の圧粉磁心は、熱伝導率が小さいため、モーターコア以外の用途には適さない。本開示の１つの局面では、熱伝導率が高く、電気伝導率が低い複合素材を提供することが好ましい。

本開示の１つの局面は、熱伝導率が１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上である分散材と、前記分散材同士の間に介在する絶縁体と、を備える複合素材である。本開示の１つの局面である複合素材は、熱伝導率が高く、電気伝導率が低い。

複合素材の構成と、製造方法とを表す説明図である。原料を加熱圧縮するための装置の構成を表す斜視図である。加熱圧縮を行っているときの装置の構成を表す側断面図である。

本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
１．複合素材１の構成
図１おけるＳ＿Ｃに示すように、複合素材１は、分散材３と、絶縁体５とを備える。絶縁体５は、分散材３同士の間に介在している。分散材３の熱伝導率は１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上である。

分散材３は、例えば、金属の粉末である。金属として、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、それらのうちの２種以上の合金等が挙げられる。分散材３は、例えば、アルミニウム基金属粉末である。アルミニウム基金属粉末として、例えば、アルミニウムアトマイズ粉末、アルミニウム切削切り粉等が挙げられる。分散材３の平均粒径は１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。平均粒径の測定方法はメッシュ通過法である。

絶縁体５は、例えば、低融点セラミック、酸化物、シリコーン、又は樹脂である。絶縁体５のガラス転移点は、例えば、分散材３の融点以下である。絶縁体５は、例えば、ガラス転移点が分散材３の融点以下である低融点セラミック、酸化物、シリコーン、又は樹脂である。

複合素材１の電気伝導率は、例えば、０．５×１０^６Ｓ／ｍ以下である。複合素材１の電気伝導率を小さくする方法として、絶縁体５の量を増やす方法がある。複合素材１の熱伝導率は、例えば、８Ｗ／Ｋ・ｍ以上であり、１０Ｗ／Ｋ・ｍ以上が好ましい。複合素材１の熱伝導率を大きくする方法として、絶縁体５の量を少なくする方法がある。

複合素材１の密度は、例えば、２．７ｇ／ｃｍ^３以下である。複合素材１の密度を小さくする方法として、複合素材１を製造するときの圧力を小さくする方法、及び、分散材３の径を大きくする方法がある。

分散材３の質量が１００質量部である場合、絶縁体５の質量は、３０質量部以上１００質量部以下であることが好ましい。分散材３と、絶縁体５との質量比がこの範囲内である場合、複合素材１の形状が安定し易い。複合素材１は、例えば、モビリティ用モーターの構造用部材の材料として用いることができる。構造用部材として、例えば、モーター全体のカバー、ステータの固定板、ローターの固定板等が挙げられる。

２．複合素材１の製造方法
複合素材１は、例えば、以下の方法で製造することができる。まず、図１におけるＳ＿Ａに示す原料２１を用意する。原料２１は、分散材３と、絶縁体粉末４とを含む。絶縁体粉末４は、後に溶融したとき、絶縁体５となる。絶縁体粉末４は、バインダーとして機能する。絶縁体粉末４は、例えば、低融点セラミック、酸化物、シリコーン、又は樹脂の粉末である。例えば、絶縁体粉末４のガラス転移点は、分散材３の融点より低い。絶縁体粉末４の平均粒径は、例えば、１μｍ以上３０μｍ以下である。

原料２１の形態は、例えば、粉末である。例えば、分散材３と、絶縁体粉末４とを混合することで、原料２１を調製することができる。混合には、例えば、乳鉢等を用いることができる。例えば、原料２１において、分散材３と、絶縁体粉末４とは、均一に分散している。

次に、原料２１を加熱圧縮する。原料２１を加熱圧縮したとき、図１におけるＳ＿Ｂ、Ｓ＿Ｃに示すように、絶縁体粉末４は溶融し、液状の絶縁体５となる。原料２１を加熱圧縮したとき、例えば、分散材３は溶融しない。液状の絶縁体５は、分散材３同士の間を埋める。

原料２１を加熱圧縮する方法として、例えば、図２、図３に示す装置１１と、図示しないホットプレス装置とを使用する方法がある。装置１１は、円筒ダイス１３と、第１円柱バンチ１５と、第２円柱バンチ１７と、第３円柱バンチ１９と、を備える。

円筒ダイス１３は、中空の円筒形状を有する部材である。円筒ダイス１３は、内周部１３Ａと、外周部１３Ｂとにより構成される。外周部１３Ｂは、内周部１３Ａよりも外周側に位置する。内周部１３Ａはグラファイトから成る。外周部１３ＢはＳＫＤ６１鋼から成る。

第１円柱バンチ１５、第２円柱バンチ１７、及び第３円柱バンチ１９は、それぞれ、円柱形状を有する部材である。第１円柱バンチ１５、第２円柱バンチ１７、及び第３円柱バンチ１９の直径Ｄは、それぞれ、円筒ダイス１３の内径に近く、それよりわずかに小さい。第１円柱バンチ１５、及び第２円柱バンチ１７は、グラファイトから成る。第３円柱バンチ１９は、ＳＫＤ６１鋼から成る。

装置１１及びホットプレス装置を用いて原料２１を加熱圧縮する方法は以下のとおりである。まず、図３に示すように、円筒ダイス１３を、その軸方向が鉛直方向と一致するように配置する。次に円筒ダイス１３の内部に、第１円柱バンチ１５を収容する。第１円柱バンチ１５の厚み方向は、鉛直方向と一致する。

次に、第１円柱バンチ１５の上に、原料２１を載せる。次に、原料２１の上に、第２円柱バンチ１７を載せる。第２円柱バンチ１７の厚み方向は、鉛直方向と一致する。原料２１は、第１円柱バンチ１５と第２円柱バンチ１７とにより、上下方向において挟まれる。また、原料２１の外周部は、内周部１３Ａに対向する。

次に、第２円柱バンチ１７の上に第３円柱バンチ１９を載せる。第３円柱バンチ１９の厚み方向は、鉛直方向と一致する。このとき、第１円柱バンチ１５、原料２１、及び第２円柱バンチ１７の全体は、円筒ダイス１３の内部に収容される。第３円柱バンチ１９のうち、下方の一部は円筒ダイス１３の内部に収容され、他の部分は、円筒ダイス１３よりも上方に突出する。

次に、装置１１をホットプレス装置の中に収容する。ホットプレス装置によって、第３円柱バンチ１９を下方に押下げながら、装置１１を加熱することで、原料２１を加熱圧縮することができる。加熱圧縮は、真空下で行ってもよいし、大気圧下で行ってもよい。原料２１を加熱圧縮したとき、図１におけるＳ＿Ｂ、Ｓ＿Ｃに示すように、絶縁体粉末４は溶融し、液状の絶縁体５となる。原料２１を加熱圧縮したとき、分散材３は溶融しない。液状の絶縁体５は、分散材３同士の間を埋める。

次に、装置１１を冷却する。このとき、絶縁体５は固化し、複合素材１が完成する。冷却は、真空下で行ってもよいし、大気圧下で行ってもよい。例えば、冷却は、自然冷却である。次に、装置１１をホットプレス装置から取り出し、さらに、複合素材１を装置１１から取り出す。以上の工程により、図１におけるＳ＿Ｃに示す複合素材１が得られる。

３．複合素材１が奏する効果
（１Ａ）複合素材１は、熱伝導率が高く、電気伝導率が低い。複合素材１の電気伝導率が低いため、例えば、回転するモーターの周辺等の磁束の変化が激しい場所に複合素材１を設置した場合でも、複合素材１に誘導電流が発生し難い。複合素材１に誘導電流が発生し難いため、エネルギー損失を抑制できる。

（１Ｂ）例えば、複合素材１の密度を小さくすることができる。複合素材１の密度が小さい場合、複合素材１を移動体に用いることができる。移動体として、例えば、ＨＡＰＳ（空飛ぶ基地局）、ｅＶＴＯＬ（空飛ぶクルマ）、電気自動車、ドローン等が挙げられる。

＜実施例＞
１．試料Ｓ１～Ｓ７の製造
試料Ｓ１～Ｓ７を、それぞれ、以下のようにして製造した。まず、原料２１を用意した。試料Ｓ１の場合、原料２１は、アルミニウム粉末のみから成っていた。試料Ｓ２～Ｓ６の場合、原料２１は、アルミニウム粉末と、低融点セラミック粉末との混合物であった。試料Ｓ２～Ｓ６の場合、アルミニウム粉末と、低融点セラミック粉末との質量比は、表１に示すとおりであった。

試料Ｓ２～Ｓ６の場合、アルミニウム粉末と、低融点セラミック粉末とを、乳鉢を用いて５分間程度混合し、原料２１を調製した。混合することで、アルミニウム粉末の表面に、低融点セラミック粉末を十分にまとわせた。混合の後、原料２１には、アルミニウム粉末の銀色と、低融点セラミック粉末の白色とが分離している箇所が無く、均一に混じり合っていた。このことは、アルミニウム粉末と、低融点セラミック粉末とが十分に混合されたことを示していた。

試料Ｓ７の場合、原料２１は、低融点セラミック粉末のみから成っていた。試料Ｓ１～Ｓ６の原料２１に含まれるアルミニウム粉末の純度は９９％以上であった。また、アルミニウム粉末の粒径は３００μｍ以下であった。また、アルミニウム粉末の熱伝導率は２００Ｗ／Ｋ・ｍであった。また、アルミニウム粉末の融点は６６０．３℃であった。なお、アルミニウム粉末は分散材３に対応する。

試料Ｓ２～Ｓ７の原料２１に含まれる低融点セラミック粉末は、ＴＯＭＡＴＥＣ製ＴＭＳ－４９０であった。なお、低融点セラミック粉末は絶縁体粉末４に対応する。

次に、図２、図３に示す装置１１と、大亜真空製の真空ホットプレス装置とを用いて、上述した方法で原料２１を加熱圧縮した。円筒ダイス１３の内径は２５ｍｍであり、外径は１００ｍｍであり、高さは７０ｍｍであった。第１円柱バンチ１５、第２円柱バンチ１７、及び第３円柱バンチ１９の直径Ｄは、それぞれ、７０ｍｍであった。また、第１円柱バンチ１５、第２円柱バンチ１７、及び第３円柱バンチ１９の厚さは、それぞれ、１５ｍｍであった。

加熱圧縮を行うとき、真空ホットプレス装置の中の温度を、３０分かけて５５０℃まで昇温し、５５０℃の温度を１時間保持した。加熱圧縮を行うとき、装置１１に対し、１トンの圧力を１．５時間加えた。加熱圧縮を行ったとき、試料Ｓ２～Ｓ７の場合は、低融点セラミック粉末が溶融し、絶縁体５となった。

次に、真空ホットプレス装置の中にある装置１１を、真空下で自然冷却した。冷却したとき、試料Ｓ２～Ｓ７の場合は、それまで溶融していた絶縁体５が固化した。次に、装置１１を大気中に取り出し、さらに、装置１１から試料Ｓ１～Ｓ７を取り出した。以上の工程により、試料Ｓ１～Ｓ７が得られた。

試料Ｓ１の場合、圧粉後、装置１１から取り出すときに簡単に崩れた。なお、圧粉とは、加熱圧縮と、その後の冷却とを意味する。試料Ｓ２～Ｓ３の場合、圧粉後の成形体は形を保てずに崩れた。試料Ｓ４～Ｓ６の場合、圧粉後の成形体は崩れずに形を保った。試料Ｓ４～Ｓ６は、複合素材１に対応する。試料Ｓ７の場合、装置１１から取り出すときに粉々に割れたため、成形体を得ることができなかった。

２．試料Ｓ８～Ｓ９の製造
Ａ１０５０圧延板を試料Ｓ８とした。アクリル板を試料Ｓ９とした。

３．試料Ｓ１～Ｓ９の評価
試料Ｓ４～Ｓ６のそれぞれについて、密度と、電気伝導率と、熱伝導率とを測定した。また、試料Ｓ８、Ｓ９のそれぞれについて、密度と、電気伝導率とを測定した。また、試料Ｓ１～Ｓ３のそれぞれについて、電気伝導率を測定した。測定結果を表１に示す。表１に示す試料Ｓ８、Ｓ９の熱伝導率は文献値である。

密度の測定方法は以下のとおりであった。試料の質量を電子天秤で測定した。また、マイクロメータで試料の直径及び厚さを測定し、その直径及び厚さに基づき試料の体積を算出した。最後に、試料の質量と体積とから、試料の密度を算出した。

電気伝導率は、日本フェルスター製の導電率測定器（シグマテスト）を用いて測定した。測定における周波数は４８０ｋＨｚとした。測定に用いた試験片のサイズは、φ２５ｍｍ×ｔ１．５ｍｍであった。熱伝導率は、レーザフラッシュ法で測定した。

表１に示すように、試料Ｓ４～Ｓ６では、密度が小さく、電気伝導率が低く、熱伝導率が高かった。試料Ｓ４～Ｓ６の電気伝導率は、測定限界の０．５×１０^６Ｓ／Ｍ以下であった。試料Ｓ４～Ｓ６において電気伝導率が低い理由は、アルミニウム粉末を構成するアルミニウム粒子の間にセラミックが介在し、アルミニウム粒子同士を絶縁しているためであると推定される。

試料Ｓ１～Ｓ３のうち、かろうじて形を保っていた箇所の電気伝導率を測定すると、０．５×１０^６Ｓ／Ｍ以上であった。この理由は、アルミニウム粒子間に十分にセラミックが行き渡らず、十分な絶縁ができていなかったためであると推定される。試料Ｓ８では、電気伝導率が高かった。試料Ｓ９では、熱伝導率が低かった。

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（１）原料２１に含まれる絶縁体粉末４の形態は、すだれ状、不織布状であってもよい。
（２）上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

（３）上述した複合素材１の他、当該複合素材１を構成要素とするシステム、複合素材１の製造方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…複合素材、３…分散材、４…絶縁体粉末、５…絶縁体、１１…装置、１３…円筒ダイス、１３Ａ…内周部、１３Ｂ…外周部、１５…第１円柱バンチ、１７…第２円柱バンチ、１９…第３円柱バンチ、２１…原料

［本明細書が開示する技術思想］
［項目１］
熱伝導率が１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上である分散材と、
前記分散材同士の間に介在する絶縁体と、
を備える複合素材。
［項目２］
項目１に記載の複合素材であって、
前記絶縁体は、ガラス転移点が前記分散材の融点以下である酸化物又は樹脂である、
複合素材。
［項目３］
項目１又は２に記載の複合素材であって、
電気伝導率が０．５×１０^６Ｓ／ｍ以下である、
複合素材。
［項目４］
項目１～３のいずれか１つの項目に記載の複合素材であって、
熱伝導率が８Ｗ／Ｋ・ｍ以上である、
複合素材。
［項目５］
項目１～４のいずれか１つの項目に記載の複合素材であって、
密度が２．７ｇ／ｃｍ^３以下である、
複合素材。

Claims

熱伝導率が１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上である分散材と、
前記分散材同士の間に介在する絶縁体と、
を備え、
電気伝導率が０．５×１０ ^６Ｓ／ｍ以下であり、
熱伝導率が８Ｗ／Ｋ・ｍ以上であり、
前記絶縁体は、ガラス転移点が前記分散材の融点以下であるセラミック、酸化物（ただし前記セラミックを除く）、又はシリコーンである、
複合素材。
請求項１に記載の複合素材であって、
前記絶縁体は、ガラス転移点が前記分散材の融点以下である前記酸化物である、
複合素材。
請求項１又は２に記載の複合素材であって、
密度が２．７ｇ／ｃｍ^３以下である、
複合素材。