博 士 （ 工 学 ） 今 西 輝 光
学 位 論 文 題 名
カ ー ボ ン ナ ノ チ ュ ー ブ お よ び 気 相 成 長 炭 素 繊 維を 用 いた 高 熱 伝 導 ア ル ミ ニ ウ ム 基 複 合 材 料 に 関 す る 研 究
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
コ ン ピュ ー タ機 器 の放 熱 は， 性能 向 上へ の ボト ル ネッ クで あ り， 様 々を 対 策が な され てき た ．中 でも，近 年航空 機 に 装 備 さ れ る コ ン ピ ュ ー タ 機器 が 増大 し ，そ の排 熱 処理 が 大き 誼 問題 と毅 っ てい る ，航 空 機に は ，軽 量・ コ ン パ ク ト 化 の 要 求 が 非 常 に 強 く ，こ れ まで は 放熱 フイ ン をど 放 熱構 造 の検 討が 行 われ て きた が ，フ イ ンの 高密 度 化 は 加 工 性 や 目 詰 ま り の 点 か ら ほば 限 界で あ る， 放熱 材 料自 体 に関 し ては ，ほ と んど 検 討さ れ てお ら ず， 未だ に ア ル ミ ニ ウ ム が 多 用 さ れ て い る ，一 方 銅は ， アル ミニ ウ ムよ り 高い 熱 伝導 率を 有 して い るが 、 銅の 比 重は アル ミ ニ ウ ム の 3倍 以 上 で あ り ， 軽 量 化 が 要 求 さ れ る 航 空 機 用 材 料 と し て 採 用 す る の は 難 し い ． 最 近 に 顔 り ， 熱 伝 導 特 性 ， 電 気 伝 導 特 性 ， 強 度 特 性 が 著 し く 優 れ た カ ー ポ ン ナ ノ チ ュ ー ブ(CNT)や 気相 成 長 炭 素 繊 維(VGCF)が 注 目 を 集 め ， こ れ ら を 金 属 や 樹 脂 に 分 散 さ せ ， 今 ま でに 無 い高 熱 伝導 率 ，電 気 伝導 率， 高 強 度 の 複 合 材 料 の 開 発 が 試 み ら れ て い る ． 高 熱 伝 導 性 を 有 す るCNTあ る い はVGCFと 比 強 度 高 い ア ル ミ ニ ウ ム を 複 合 化 す れ ば ， 熱 伝 導 性 が 高く ， 強度 も 充分 教材 料 を開 発 する こ とが 可能 で ある と 考え ら れる が ，従 来用 い ら れ て い る 溶 融 法 に よ る 製 法 で は ， 界 面 で の ア ル ミ ニ ウ ム ・ カ ー バ イ ド の生 成 が問 題 とを り ，そ の 開発 は困 難 で あっ た ．
本 研 究 は ，CNTやVGCFが 持 っ 優 れ た 特 性 の 中 の ー つ で あ る 高 い 熱 伝 導 特 性 に 着 目 し ， そ れ ら を ア ル ミ ニ ウ ム 母 材 内 に 分 散 し 複 合 化 す る こ と に よ り ， 優 れ た 熱 伝 導 特 性 を も っ 新 しい 複 合材 料 を開 発 する こ とを 目的 と し てい る ，
第1章 で は ， 研 究 背 景 ， 高 熱 伝 導 フ ィ ラ ー と し て のVGCFやCNTの 概 略 ， 研 究 内 容 お よ び 論 文 構 成 に つ い て 述べ て いる ．
第2章 で は ， 使 用 し た 材 料 ， 評 価 方 法 ， 評 価 に用 い た装 置 の詳 細 につ いて 述 ベ， 複 合材 料 の試 作 に採 用し た 放 電プ ラ ズマ 焼 結装 置 と最 適 を焼 結条 件 の検 討 を行 い ，以 下を 明 らか に した ．
(1) CNTやVGCFを マ ト リ ッ ク ス で あ る ア ル ミ ニ ウ ム 粉 末 に 分 散 し ， 粉 末 冶 金 法 を 用 い て 製 作 す る 手 法 を 採 用 する こ とと し た．
(2) CNTやVGCFと ア ル ミ ニ ウ ム と を 複 合 化 す る 手 法 は ， 本 研 究 に お い て の 要 で あ る ． そ こ で ，CNTやVGCF と マ ト リ ッ ク ス を 効 果 的 に 緻 密 化 で き る 放 電 プ ラ ズ マ 焼 結 装 置 (SPS)を 採 用 す る こ と と し た ， (3) SPSの 焼 結 条 件 の 検 討 を 行 っ た ， そ の 結 果 ， 真 空 雰 囲 気 中 に お い て 加 圧 力30MPaで 焼 結 温 度560℃ でlHr 保持 す る焼 結 条件 を 見出 し た，
第3章 で は ，CNTだ け を 含 有 し た 複 合 材 料 の 熱 伝 導 特 性 に 関 す る 実 験 ，お よ び， ナ ノ・ マ イク ロ 熱伝 導解 析 に 頻繁 に 用い ら れて い るNanモ デル に よる 数 値解 析 を行 い ，以 下を 明 らか に した ，
(4) CNT含 有 ア ル ミ ニ ウ ム 材 料 の 熱 伝 導 率 は ， 体 積 含 有 率 が 増 す に っ れ滅 少す る ．こ れ は，CNTの 分散 状態 が 均 一 で 誼 い こ と ， ま た 。CNTと ア ル ミ ニ ウ ム 母 材 界 面 の 結 合 状 態 に 問 題 が あ る た め と 考 え ら れ る ． (5) Nanモ デ ル に よ る 解 析 か ら ，CNTの 配 向 制 御 が 複 合 材 料 の 熱 伝 導 特 性 向 上 に 対 し て 重 要 で あ る こ と が 具 体 的に 明 らか と 毅っ た ，
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第4章 で は ，VGCFの み を 含 有 す る ア ル ミ ニ ウ ム 複 合 材 料 の 強 度 特 性 ， お よ び ， 熱 伝導 特 性 に 関 す る 実験 と Nanモ デル に よ る 解 析 を 行い ， 以 下 を 明 ら か にし た ，
(6) VGCFだ け を 含 有 し た 複 合 材 料 で は ，VGCFの 体 積 含 有 率 が 増 加 す る に 従 い 熱 伝 導 率 が 上 昇 す る ． た だ し,VGCFの 体 積 含 有 率 が10%を 超 え る と 熱 伝 導 率 の 上 昇 割 合 が 小 さ く 春 る ， こ れ は ，VGCFの 含 有 率 が 増 え る に 従い ，VGCFとマ ト リ ッ ク ス 界 面熱 抵 抗 の 影 響 も 上昇 す る た め と 考 え られ る ．
(7) Nanモ デ ル に よ り ，CNTを 単 独 で 用 い た と き と 同 様 にVGCFの 配 向 制 御 が 複 合 材 料 の 熱 伝 導 特 性 に 対 し て 重 要で あ る こ と が 明 ら かと 誼 っ た ．
第5章 で は ，VGCFの み を 用 い た 複 合 材 料 に 対 し て ， そ の 高 密 度 化 と マ ト リ ッ ク ス とVGCF界 面 の 密 着 性 の 向 上 を 試 み た ． そ の た めに ， ア ル ミ ニ ウ ム より わ ず か に 融 点 が低 いAl‑Si共 晶 合金 粉 末(Al‑12Si)を ア ル ミニ ウ ム 粉 末 に 加 え た 混 合 粉 末 を マ ト リ ッ ク ス 材 と し ， 焼 結中 に 生 じ るAl‑12Siの わ ず か を 液層 に よ る 界 面 状 態の 改 良 につ い て 検 討 し た ． その 結 果 ， 以 下 を 明ら か に し た ，
(8)ア ル ミ ニ ウ ム 粉 末 単 独 と ア ル ミ ニ ウ ム 粉 末 にAl―12Siを 混合 し た マ ト リ ッ ク スの 熱 伝 導 率 を 比 較し た と こ ろ ，Al‑12Siを 混合 し た マ ト リ ッ ク スの 熱 伝 導 率 が低 いこ とがわ かっ た，一 方， 強度に 関し ては，Al‑12Siを 加え る と マト リ ッ ク ス の 強 度 は上 昇 す る こ と が 明ら か と を っ た ，
(9) VGCFを ラ ン ダ ム に 配 向 し た 場 合 に お い て はVGCFの 体 積 含 有 率 が10%付 近 ，VGCFを ラ ン ダ ム に 配 向 し た 場 合 に お い て はVGCFの 体 積 含 有 率 が15%を 超 え る 付 近 か ら ，Al‑12Siを 加 え た マ ト リ ッ ク ス に よ る 複 合 材 料 の 熱 伝 導 率 が ア ル ミ ニ ウ ム 単 独 の マ ト リ ッ ク ス に よ る 複 合 材 料 の 熱 伝 導 率 よ り 高 く 叔 る ． (10) Al‑12Siを 加 え た マ ト リ ッ ク ス を 用 い た 場 合 は ， 体 積 含 有 率60%のVGCFを 一 方 向 に 配 向 さ せ た 複 合 材 料 にお い て ，800W/mKを 超 え る 極 め て高 い 熱 伝 導 率 が 確認 さ れ た ．
(11）VGCFを 含 有し た 複 合 材 料 の 強 度特 性 は ， マ ト リ ック ス 単 体 の 強 度 特性 と 比 較 し て 著 し く減 少 し 脆 化 す る ． こ れ は ，VGCFと マ ト リ ッ ク ス の 界 面 性 状 に 起 因 す る と 考 え ら れ る ． ただ し ，VGCFを 一 方 向 配 向 す るこ と に よ り ，引 張 り 強 さ の 滅 少 量は 多 少 改 善 さ れ る．
第6章 で は ， 第5章 で 試 作 し たVGCF/AI複 合 材 料 の 更 春 る 熱 伝 導 率 向 上 を 試 み た ， こ の た め に ，VGCFよ ル サ イ ズ が 小 さ いCNTを 複 合 材 料 に 添 加 す る こ と を 考 案 し ，そ の 効 果 に つ い て検 討 し た ． そ の 結 果， 以 下 を 明 ら か にし た ．
（12)有 限 要 素 解 析 に よ りCNT添 加 の 効 果 を 確 認 す る た め に ，VGCFの 半 径 方 向 ， 軸 方 向を そ れ ぞ れ 架 橋 す る2 種 類 のVGCF‑CNTネ ッ ト ワ ー ク モ デ ル に よ る 解 析 を 行 っ た ． 解 析 に よ りCNT添 加 の 効 果 が 確 認 し た と 同 時 に ，添 加 効 果 は 微 小 量 のCNTに よ っ て 生 ず る こと を 明 ら か に し た．
(13)上 記 の 解 析 結 果 に 基 づ き ， 体 積 含 有 率 でO．2%，0.4%の 極 微 小 量 のCNTを 添 加 し たVGCF/A1複 合 材 料 を 試 作し た ． 添 加 す るCNTの体 積 含 有 率 が0．20/0の 方 が0.4t70の 場 合よ り も 高 い 熱 伝 導率 を 持つ こと がわか った ． こ れ は ，CNTの 添 加 量 が 多 く を る に 従 い ， 繭 状 で 塊 に を る 橡 ど で熱 伝 導 率 に 対 し て負 の 影 響 を 与 え るCNTの 量 が 増加 す る た め と 考 え られ る ．
(14)複 合 材 料 内部 でCNTがVGCFを 架 橋 し て い る状 態 をFE‑SEMに よ り 確 認し た ，
(15)試 作 し た 複 合 材 料 に は ， 一 方 向配 向 材 お よ び ラ ンダ ム 配 向 材 と も に熱 異 方 性 が 存 在 す るこ と が 明 ら か と 橡 り ， 製 品 開 発 の 際 に は ， 熱 異 方 Jl生 を 考 慮 し た 設 計 が 必 要 で あ る こ と が 分 か っ た ， 第7章 で は ， 複 合 材 料 に よ る 実 体 サ ン プ ル を 試 作 し ， 熱伝 導 特 性 の 評 価 を行 っ た ， そ の 結 果 ，以 下 の 結 諭 を 得 た．
(16)複 合 材 料 のア プ リ ケ ー シ ョ ン対 象 の 拡 大 の た めに ， 複 合 材 料 の 大 型実 体 サ ン プ ル を 製作 するこ とが できた ， (17)実 体 サ ン プ ル に よ る 加 熱 試 験 に よ り ， 複 合 材 料 の 熟 伝 達 の 優 位 性 を 視 覚 的 に 確 認 す る こ と が で き た ， 第8章は 総 括 で あ り ， 本研 究 で 得 ら れ た 結 果を ま と め て い る ，
以 上 の よ う に 本 研 究 で は ， 主 フ ィ ラ ー と し て のVGCFに ，CNTを 補 助 フ ィ ラ ー と し て 添 加 しVGCF間 を ネ ッ ト ワ ー ク 化 さ せ た ハ イ ブリ ッ ド フ ィ ラ ー と っ純 ア ル ミ ニ ウ ミ ウム を べ ー ス と す るマ ト リ ッ ク ス と を 放電 プ ラ ズ マ 焼結 ， （SPS） に よ り 複合 化 す る こ と で ， 著し く 高 い 熱 伝 導 特性 を 有 する 複合材 料を 目的ど おり 開発す るこ とが で きた ．
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学位論文審査の要旨 主査 教授 佐々木克彦 副査 教授 成田吉弘 副査 教授 但野 茂 副査 教授 中村 孝
学 位 論 文 題 名
カーボンナノチューブおよび気相成長炭素繊維を用いた 高熱伝導アルミニウム基複合材料に関する研究
最近にをり，熱伝導特性，電気伝導特性，強度特性が著しく優れたカーボンナノチューブ(CNT) や 気相成 長炭素 繊維(VGCF) が注目 を集め，これらを金属や樹脂に分散させた今までに無い高熱伝導 率，電 気伝導 率，高強度を有する複合材料の開発が試みられている．本研究は，CNT やVGCF が持つ 優れた特性の中のーつである高い熱伝導特性に着目し，それらを比強度の高いアルミニウム母材内 に分散し複合化することにより，優れた熱伝導特性と十分教強度をもつ新しい複合材料の開発を目 的としている．
こ の た め にま ず，高 熱伝導 フィラ ーとし てのVGCF や CNT の概略 を述ベ ，それ らの優 れた熱 伝 導特性を明確にし，複合材料として利用することの有用性を示している．また，複合材料の試作に使 用する放電プラズマ焼結装置の加圧カおよび焼結温度，保持時間教どの焼結条件を明確にしている，
最初 にCNT のみを用いた複合材料の熱伝導特性に関する実験，および，ナノ．マイクロ熱伝導解 析に頻 繁に用 いられ ている Nan モデル による数値解析を行っている，CNT のみを用いた複合材料の 熱伝導率は，CNT の体積含有率が増すにつれ減少することを実験的に明らかにし，Nan モデルによる 解析か らはCNT の配向 制御が複 合材料 の熱伝 導特性 向上に 対して重要であることを具体的に明ら かにしている．一方，VGCF のみを含有するアルミニウム複合材料の強度特性，および，熱伝導特性に 関 する 実 験 と Nan モデル による 解析を 行い， VGCF のみを 用いた 複合材 料の場 合には ，VGCF の体 積 含 有 率 が 増 加 す る に 従 い 熱 伝 導 率 が 上 昇 す る こ と を 明 ら か に し て い る ． 次に ，複合 材料の高 密度化 および マトリックスとVGCF 界面の密着性向上のために，アルミニウ ムより わずか に融点が低いAl −Si 共晶合金粉末(Al‑12Si) をアルミニウム粉末に加えた混合粉末を マトリックス材とし。焼結中に生じるAl‑12Si のわずか教液層による界面状態の改良を試みている．
こ れに よ り ， VGCF を 一方 向 に 配 向し た 場 合 にお い て は VGCF の体 積含 有率が 10% 付近， VGCF を ランダ ムに配 向した 場合に おいて はVGCF の体積含有率が15 010 を超える付近から，混合マトリッ クスがアルミニウム単独マトリックス対して優位に誼ることを明らかにしている，最終的に，混合 マ トリ ッ ク ス に体 積 含 有 率60% の VGCF を 一方向に 配向さ せるこ とによ り，800W/mK を超え る極 めて高い熱伝導率を持つ複合材料の開発に成功している，しかしをがら，強度に関しては，VGCF を
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含有した複合材料の弓f 張強さや破断伸び教どが著し く減少し脆化することを同時に明らかにして いる．
さ らを る熱 伝 導率 の向 上を 目 指す ため に， VGCF よ ルサ イズ が小 さい CNT を添 加し，その効果 につ いて 検討 し てい る． このためにまず，VGCF の半 径方向，軸方向をそれぞれ 架橋する2 種類の VGCF‑CNT ネッ ト ワー クモ デルを用いた有限要素解析 を行い，CNT 添加の効果を確 認し，同時に添 加に よる 熱伝 導 率の 上昇 は微小量のCNT 添加によっ て生ずることを明らかにして いる．有限要素 解析結果に基づき，体積含有率で0.20/0 ，および0.40'/0 の極微小量のCNT を添加した複合材料を試作 し。 添加 する CNT の体 積 含有 率が 0.2% の方 が 0.4% より も高 い 熱伝 導率 に教るこ とを確認してい る.CNT 添加量の多いほう が熱伝導率が滅少する理由 として，CNT が多く教るに従い，熱伝導率に対 して 負の 影響 を 与え る繭 上に 固 まる CNT の 量 が増 加す るた で ある とFE‑SEM 観察 により確認して い る ．こ れと 同時 にFE ― SEM に よ り， 複合 材料 内部 で CNT が VGCF を 架橋 して いる 状 態も 確認 し ている．また。開発した複合材料には一方向配向材およびランダム配向材ともに熱異方性が存在する ことを明らかにし，最終 的に大型実体サンプルの製作を試み，実体サンプルを用いた加熱試験によ り，複合材料の熱伝導特 性の優位性を視覚的に確認 している，
こ れを 要す る に， 本研 究は，CNT やVGCF の高い熱 伝導特性に着目し，それらを アルミニウム母 材内に分散・複合化し放 電プラズマ焼結(SPS) する複 合材料の製作方法を考案し，母材であるアル ミニウムの3 倍以上の熱 伝導率を持つ複合材料の開発 を行っており，熱効率に優れた機械システム 開発の進歩に貢献するところ大をるものがある．よって著者は，北海道大学博士（工学）の学位を授 与される資格あるものと 認める．
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