JP6011593B2

JP6011593B2 - 銅多孔質焼結体の製造方法及び銅多孔質複合部材の製造方法

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Publication number: JP6011593B2
Application number: JP2014215339A
Authority: JP
Inventors: 喜多　晃一; 晃一喜多; 星野　孝二; 孝二星野; 俊彦幸; 純加藤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: US10532407B2; JP2016079495A; BR112017007728A2; CN107073585A; EP3210698A4; EP3210698A1; KR20170074870A; WO2016063905A1; CN107073585B; US20170239729A1; EP3210698B1

Description

本発明は、銅又は銅合金からなる銅多孔質焼結体の製造方法、この銅多孔質焼結体が部材本体に接合されてなる銅多孔質複合部材の製造方法に関するものである。

上述の銅多孔質焼結体及び銅多孔質複合部材は、例えば各種電池における電極及び集電体、熱交換器用部材、消音部材、フィルター、衝撃吸収部材等として使用されている。
例えば、特許文献１には、三次元網目状構造体をなす銅多孔質体を導電性金属の部材本体に一体被着した伝熱部材が提案されている。

ここで、特許文献１においては、三次元網目状構造体をなす金属焼結体（銅多孔質焼結体）の製造方法として、加熱により焼失する材質から成る三次元網目状構造体（例えばウレタンフォーム、ポリエチレンフォーム等連続気泡を持つ合成樹脂発泡体、天然繊維クロス、人造繊維クロス等）の骨格に粘着剤を塗布し、金属粉状物を被着した成形体を用いる方法や、加熱により焼失する材質から成り、かつ三次元網目状構造体を形成することができる材料（例えばパルプや羊毛繊維）に金属粉状物を抄き込んだシート状成形体を用いる方法等が開示されている。なお、この特許文献１においては、還元雰囲気で焼結を行っている。

特開平０８−１４５５９２号公報

ところで、特許文献１に記載されたように、金属粉状物を用いて金属焼結体（銅多孔質焼結体）を成形する場合には、焼結時における収縮率が大きく、気孔率の高い銅多孔質焼結体を得ることが困難であるといった問題があった。
また、特許文献１に記載された金属焼結体（銅多孔質焼結体）においては、単に還元雰囲気で焼結を行っていることから、金属粉状物の表面が比較的平滑な面となっており、金属粉状物同士の接合面積が十分に確保できず、焼結強度が十分に確保できないといった問題があった。このように焼結強度が不十分であることから、金属焼結体（銅多孔質焼結体）としての伝熱特性及び導電性等の各種特性が低下するおそれがあった。

さらに、加熱によって焼失する材質から成る三次元網目状構造体を利用して金属焼結体（銅多孔質焼結体）を成形する場合、三次元網目状構造体が加熱によって焼失した際に、焼結が進行する前に成形体が変形してしまい、寸法精度に優れた金属焼結体（銅多孔質焼結体）を製造することができないおそれがあった。

本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、焼結時の収縮率が小さく寸法精度に優れるとともに十分な強度を有する銅多孔質焼結体の製造方法、この銅多孔質焼結体が部材本体に接合された銅多孔質複合部材の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の銅多孔質焼結体の製造方法は、複数の銅繊維が焼結されてなる銅多孔質焼結体の製造方法であって、前記銅繊維は、銅又は銅合金からなり、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされており、複数の前記銅繊維を積層する銅繊維積層工程と、積層された複数の前記銅繊維体同士を焼結する焼結工程と、を有し、前記銅繊維積層工程では、嵩密度Ｄ_Ｐを前記銅繊維の真密度Ｄ_Ｔの５０％以下となるように複数の前記銅繊維を積層配置し、前記焼結工程では、前記銅繊維を酸化させて前記銅繊維の表面に酸化物層を形成し、この酸化物層によって複数の銅繊維同士を結合し、その後、前記酸化物層を還元して酸化還元層を形成することを特徴としている。

上述の構成とされた本発明の銅多孔質焼結体の製造方法によれば、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされた銅繊維を、嵩密度Ｄ_Ｐが前記銅繊維の真密度Ｄ_Ｔの５０％以下となるように積層配置する銅繊維積層工程を備えているので、銅繊維同士の間に空隙が確保されることになり、また、銅繊維を用いることにより、粉末同士の焼結に比べて焼結箇所が大幅に少なくなることから焼結時における収縮率、つまり形状変化を抑えることができ、結果として気孔率の高く、かつ寸法精度に優れた銅多孔質焼結体を得ることができる。
また、焼結工程では、銅繊維を酸化させた後、酸化された銅繊維を還元するとともに銅繊維同士を結合させる構成としているので、銅繊維の表面に酸化還元層を形成して微細な凹凸を生じさせ、銅繊維同士をこの酸化還元層によって接合することができ、銅多孔質焼結体の強度を向上させることが可能となる。

本発明の銅多孔質複合部材の製造方法は、部材本体と、複数の銅繊維が焼結されてなる銅多孔質焼結体とが接合された銅多孔質複合部材の製造方法であって、上述の銅多孔質焼結体の製造方法によって製造された銅多孔質焼結体と、前記部材本体とを接合する接合工程を備えていることを特徴としている。

この構成の銅多孔質複合部材の製造方法においては、上述の銅多孔質焼結体の製造方法によって製造された銅多孔質焼結体と同等の気孔率が高く強度に優れた銅多孔質焼結体を備えることになり、伝熱特性及び導電性等の各種特性に優れた銅多孔質複合部材を製造することが可能となる。

ここで、本発明の銅多孔質複合部材の製造方法においては、前記部材本体のうち前記銅多孔質焼結体が接合される接合面は、銅又は銅合金で構成されており、前記銅繊維積層工程では、前記部材本体の前記接合面に複数の前記銅繊維を積層配置し、前記焼結工程及び前記接合工程では、前記銅繊維及び前記部材本体の前記接合面を酸化させて前記銅繊維及び前記部材本体の前記接合面に酸化物層を形成し、この酸化物層によって前記銅繊維及び前記部材本体の前記接合面を結合し、その後、前記酸化物層を還元して酸化還元層を形成することが好ましい。

この場合、銅繊維同士を結合して銅多孔質焼結体を得る焼結工程と、銅繊維と部材本体とを結合する接合工程とを同時に実施することができ、製造プロセスを簡略化することが可能となる。
また、前記焼結工程及び前記接合工程では、前記銅繊維及び前記部材本体の接合面を酸化させた後、酸化された前記銅繊維及び前記部材本体の接合面を還元するとともに前記銅繊維同士及び前記銅繊維と前記部材本体の接合面を結合させる構成としているので、銅繊維同士の焼結強度、及び、銅繊維（銅多孔質焼結体）と前記部材本体との接合強度を向上させることが可能となる。
さらに、前記部材本体と前記銅多孔質焼結体とが強固に接合されていることから、伝熱特性及び導電性等の各種特性に優れた銅多孔質複合部材を製造することが可能となる。

本発明によれば、焼結時の収縮率が小さく寸法精度に優れるとともに十分な強度を有する銅多孔質焼結体の製造方法、この銅多孔質焼結体が部材本体に接合された銅多孔質複合部材の製造方法を提供することができる。

本発明の第一の実施形態である銅多孔質焼結体の拡大模式図である。図１に示す銅多孔質焼結体を構成する銅繊維同士の結合状態を示す観察写真である。図１に示す銅多孔質焼結体を構成する銅繊維同士の結合の断面観察写真である。図１に示す銅多孔質焼結体の製造方法の一例を示すフロー図である。図１に示す銅多孔質焼結体を製造する製造工程を示す説明図である。図１に示す銅多孔質焼結体を構成する銅繊維の観察写真である。（ａ）が焼結工程（酸化処理工程及び還元処理工程）前の銅繊維、（ｂ）が焼結工程（酸化処理工程及び還元処理工程）後の銅繊維である。本発明の第二の実施形態である銅多孔質複合部材の外観説明図である。図７に示す銅多孔質複合部材の製造方法の一例を示すフロー図である。本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。本発明の他の実施形態である銅多孔質複合部材の外観図である。本発明例２である銅多孔質焼結体の結合部の拡大観察写真である。比較例５である銅多孔質焼結体の結合部の拡大観察写真である。

以下に、本発明の実施形態である銅多孔質焼結体及び銅多孔質複合部材について、添付した図面を参照して説明する。

（第一の実施形態）
まず、本発明の第一の実施形態である銅多孔質焼結体１０及び銅多孔質焼結体１０の製造方法について、図１から図６を参照して説明する。
本実施形態である銅多孔質焼結体１０は、図１に示すように、複数の銅繊維１１が焼結されて一体化されたものである。

ここで、銅繊維１１は、銅又は銅合金からなり、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされている。本実施形態では、銅繊維１１は、例えばＣ１１００（タフピッチ銅）で構成されている。
なお、本実施形態では、銅繊維１１には、ねじりや曲げ等の形状付与が施されている。また、本実施形態である銅多孔質焼結体１０においては、その見掛け密度Ｄ_Ａが銅繊維１１の真密度Ｄ_Ｔの５１％以下とされている。銅繊維１１の形状については、前記見掛け密度Ｄ_Ａが銅繊維１１の真密度Ｄ_Ｔの５１％以下となる限りにおいて、直線状、曲線状など任意であるが、銅繊維１１の少なくとも一部に、ねじり加工や曲げ加工等により所定の形状付与加工をされたものを用いると、繊維同士の間の空隙形状を立体的かつ等方的に形成させることができ、その結果、銅多孔質焼結体の伝熱特性及び導電性等の各種特性の等方性向上に繋がる。

そして、本実施形態である銅多孔質焼結体１０においては、図２及び図３に示すように、銅繊維１１の表面に酸化還元層１２が形成されており、銅繊維１１、１１同士の結合部においては、互いの表面に形成された酸化還元層１２，１２同士が一体に結合している。
なお、この酸化還元層１２は、図３に示すようにポーラスな構造とされており、図２に示すように銅繊維１１の表面に微細な凹凸を生じさせている。

次に、本実施形態である銅多孔質焼結体１０の製造法について、図４のフロー図及び図５の工程図等を参照して説明する。
まず、図５に示すように、本実施形態である銅多孔質焼結体１０の原料となる銅繊維１１を、散布機３１からステンレス製容器３２内に向けて散布して嵩充填し、銅繊維１１を積層する（銅繊維積層工程Ｓ０１）。ここで、この銅繊維積層工程Ｓ０１では、充填後の嵩密度Ｄ_Ｐが銅繊維１１の真密度Ｄ_Ｔの５０％以下となるように複数の銅繊維１１を積層配置する。なお、本実施形態では、銅繊維１１にねじり加工や曲げ加工等の形状付与加工が施されているので、積層時に銅繊維１１同士の間に立体的かつ等方的な空隙が確保されることになる。

次に、ステンレス製容器３２内に嵩充填された銅繊維１１を焼結する（焼結工程Ｓ０２）。この焼結工程Ｓ０２においては、図４及び図５に示すように、銅繊維１１の酸化処理を行う酸化処理工程Ｓ２１と、酸化処理された銅繊維１１を還元して焼結する還元処理工程Ｓ２２と、を備えている。

本実施形態では、図５に示すように、銅繊維１１が充填されたステンレス製容器３２を加熱炉３３内に装入し、大気雰囲気で加熱して銅繊維１１を酸化処理する（酸化処理工程Ｓ２１）。この酸化処理工程Ｓ２１により、銅繊維１１の表面に、例えば厚さ１μｍ以上、１００μｍ以下の酸化物層が形成される。
本実施形態における酸化処理工程Ｓ２１の条件は、保持温度が５２０℃以上、１０５０℃以下、保持時間が５分以上、３００分以下の範囲内とされている。

ここで、酸化処理工程Ｓ２１における保持温度が５２０℃未満の場合には、銅繊維１１の表面に酸化物層が十分に形成されないおそれがある。一方、酸化処理工程Ｓ２１における保持温度が１０５０℃を超える場合には、酸化によって形成された酸化銅（II）が分解してしまうおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、酸化処理工程Ｓ２１における保持温度を５２０℃以上、１０５０℃以下に設定している。なお、銅繊維１１の表面に酸化物層を確実に形成するためには、酸化処理工程Ｓ２１における保持温度の下限を６００℃以上、保持温度の上限を１０００℃以下、とすることが好ましい。

また、酸化処理工程Ｓ２１における保持時間が５分未満の場合には、銅繊維１１の表面に酸化物層が十分に形成されないおそれがある。一方、酸化処理工程Ｓ２１における保持時間が３００分を超える場合には、銅繊維１１の内部にまで酸化が進行し、銅繊維１１が脆化して強度が低下するおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、酸化処理工程Ｓ２１における保持時間を５分以上、３００分以下の範囲内に設定している。なお、銅繊維１１の表面に酸化物層を確実に形成するためには、酸化処理工程Ｓ２１における保持時間の下限を１０分以上とすることが好ましい。また、銅繊維１１の酸化による脆化を確実に抑制するためには、酸化処理工程Ｓ２１における保持時間の上限を１００分以下とすることが好ましい。

次に、本実施形態では、図５に示すように、酸化処理工程Ｓ２１を実施した後、銅繊維１１が充填されたステンレス製容器３２を焼成炉３４内に装入し、還元雰囲気で加熱して、酸化された銅繊維１１を還元処理するとともに銅繊維１１同士を結合する（還元処理工程Ｓ２２）。
本実施形態における還元処理工程Ｓ２２の条件は、雰囲気が窒素と水素の混合ガス雰囲気、保持温度が６００℃以上、１０８０℃以下、保持時間が５分以上、３００分以下の範囲内とされている。

ここで、還元処理工程Ｓ２２における保持温度が６００℃未満の場合には、銅繊維１１の表面に形成された酸化物層を十分に還元できないおそれがある。一方、還元処理工程Ｓ２２における保持温度が１０８０℃を超える場合には、銅の融点近傍にまで加熱されることになり、強度及び気孔率の低下がおこるおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、還元処理工程Ｓ２２における保持温度を６００℃以上、１０８０℃以下に設定している。なお、銅繊維１１の表面に形成された酸化物層を確実に還元するためには、還元処理工程Ｓ２２における保持温度の下限を６５０℃以上とすることが好ましい。また、強度及び気孔率の低下を確実に抑制するためには、還元処理工程Ｓ２２における保持温度の上限を１０５０℃以下とすることが好ましい。

また、還元処理工程Ｓ２２における保持時間が５分未満の場合には、銅繊維１１の表面に形成された酸化物層を十分に還元できないおそれがあるとともに、焼結が不十分となるおそれがある。一方、還元処理工程Ｓ２２における保持時間が３００分を超える場合には、焼結による熱収縮が大きくなるとともに強度が低下するおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、還元処理工程Ｓ２２における保持時間を５分以上、３００分以下の範囲内に設定している。なお、銅繊維１１の表面に形成された酸化物層を確実に還元するとともに焼結を十分に進行させるためには、還元処理工程Ｓ２２における保持温度の下限を１０分以上とすることが好ましい。また、焼結による熱収縮や強度低下を確実に抑制するためには、還元処理工程Ｓ２２における保持時間の上限を１００分以下とすることが好ましい。

この酸化処理工程Ｓ２１及び還元処理工程Ｓ２２により、図２、図３及び図６に示すように、銅繊維１１の表面には、酸化還元層１２が形成され、微細な凹凸が生じることになる。
また、酸化処理工程Ｓ２１によって銅繊維１１の表面に酸化物層が形成され、この酸化物層によって複数の銅繊維１１同士が架橋される。その後、還元処理Ｓ２２を行うことで、銅繊維１１の表面に形成された酸化物層が還元されて上述の酸化還元層１２が形成されるとともに、この酸化還元層１２同士が結合することにより、銅繊維１１同士が焼結される。
以上のような製造方法により、本実施形態である銅多孔質焼結体１０が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態である銅多孔質焼結体１０によれば、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされた銅繊維１１が焼結されることで構成されているので、銅繊維１１同士の間に十分な空隙が確保されるとともに、焼結時における収縮率を抑えることができ、気孔率の高く、かつ寸法精度に優れている。
さらに、本実施形態である銅多孔質焼結体１０においては、銅繊維１１、１１同士が、互いの表面に形成された酸化還元層１２、１２同士が一体に結合することにより、接合されているので、焼結強度を大幅に向上させることができる。

また、本実施形態である銅多孔質焼結体１０の製造方法によれば、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされた銅繊維１１を、嵩密度Ｄ_Ｐが銅繊維１１の真密度Ｄ_Ｔの５０％以下となるように積層配置する銅繊維積層工程Ｓ０１を備えているので、焼結工程Ｓ０２においても、銅繊維１１同士の間の空隙を確保することができ、収縮を抑えることが可能となる。これにより、気孔率の高く寸法精度に優れた銅多孔質焼結体１０を製造することができる。
具体的には、嵩密度Ｄ_Ｐが銅繊維１１の真密度Ｄ_Ｔの５０％以下となるように積層配置して焼結することによって製造された銅多孔質焼結体１０の見掛け密度Ｄ_Ａが銅繊維１１の真密度Ｄ_Ｔの５１％以下とされているので、焼結工程Ｓ０２における収縮が抑制されており、高い気孔率を確保することが可能となる。

ここで、銅繊維１１の直径Ｒが０．０２ｍｍ未満の場合には、銅繊維１１同士の接合面積が小さく、焼結強度が不足するおそれがある。一方、銅繊維１１の直径Ｒが１．０ｍｍを超える場合には、銅繊維１１同士が接触する接点の数が不足し、やはり、焼結強度が不足するおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、銅繊維１１の直径Ｒを０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内に設定している。なお、さらなる強度向上を図る場合には、銅繊維１１の直径Ｒの下限を０．０５ｍｍ以上とすることが好ましく、銅繊維１１の直径Ｒの上限を０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、銅繊維１１の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４未満の場合には、積層配置したときに嵩密度Ｄ_Ｐが銅繊維１１の真密度Ｄ_Ｔの５０％以下とすることが難しく、気孔率の高い銅多孔質焼結体１０を得ることが困難となるおそれがある。一方、銅繊維１１の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが２５００を超える場合には、銅繊維１１を均一に分散させることができなくなり、均一な気孔率を有する銅多孔質焼結体１０を得ることが困難となるおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、銅繊維１１の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒを４以上、２５００以下の範囲内に設定している。なお、さらなる気孔率の向上を図る場合には、銅繊維１１の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒの下限を１０以上とすることが好ましい。また、確実に気孔率が均一な銅多孔質焼結体１０を得るためには、銅繊維１１の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒ上限を５００以下とすることが好ましい。

また、焼結工程Ｓ０２では、銅繊維１１を酸化させる酸化処理工程Ｓ２１と、酸化された銅繊維１１を還元するとともに銅繊維１１同士を結合させる還元処理工程Ｓ２２と、を備えているので、銅繊維１１同士を強固に接合することが可能となる。本実施形態では、図２、図３及び図６に示すように、銅繊維１１を酸化処理した後に還元することで、銅繊維１１の表面に酸化還元層１２が形成され、微細な凹凸が生じており、銅繊維１１同士の結合部においては、これら酸化還元層１２同士が一体に結合していることから、接合面積が確保されるとともに銅繊維１１同士を強固に結合することが可能となる。

さらに、本実施形態である銅多孔質焼結体１０は、銅繊維１１の表面に凹凸が形成されているので、表面積が大きくなり、例えば熱交換効率や保水性等の各種特性を大幅に向上させることが可能となる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態である銅多孔質複合部材１００について、添付した図面を参照して説明する。
図７に、本実施形態である銅多孔質複合部材１００を示す。この銅多孔質複合部材１００は、銅又は銅合金からなる銅板１２０（部材本体）と、この銅板１２０の表面に接合された銅多孔質焼結体１１０と、を備えている。

ここで、本実施形態である銅多孔質焼結体１１０は、第一の実施形態と同様に、複数の銅繊維が焼結されて一体化されたものである。ここで、銅繊維は、銅又は銅合金からなり、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされている。本実施形態では、銅繊維は、例えばＣ１１００（タフピッチ銅）で構成されている。
なお、本実施形態では、銅繊維には、ねじりや曲げ等の形状付与が施されている。また、本実施形態である銅多孔質焼結体１１０においては、その見掛け密度Ｄ_Ａが銅繊維の真密度Ｄ_Ｔの５１％以下とされている。

さらに、本実施形態においては、銅多孔質焼結体１１０を構成する銅繊維及び銅板１２０の表面に、後述するように酸化処理及び還元処理を行うことによって酸化還元層が形成されており、これにより、銅繊維及び銅板１２０の表面に微細な凹凸が生じている。
そして、銅多孔質焼結体１１０を構成する銅繊維と銅板１２０の表面との結合部においては、銅繊維の表面に形成された酸化還元層と銅板の表面に形成された酸化還元層とが一体に結合している。

次に、本実施形態である銅多孔質複合部材１００を製造する方法について、図８のフロー図を参照して説明する。
まず、部材本体である銅板１２０を準備する（銅板配置工程Ｓ１００）。次に、この銅板１２０の表面に銅繊維を分散させて積層配置する（銅繊維積層工程Ｓ１０１）。ここで、この銅繊維積層工程Ｓ１０１では、嵩密度Ｄ_Ｐが銅繊維の真密度Ｄ_Ｔの５０％以下となるように複数の銅繊維を積層配置する。

次に、銅板１２０の表面に積層配置された銅繊維同士を焼結して銅多孔質焼結体１１０を成形するとともに銅多孔質焼結体１１０（銅繊維）と銅板１２０とを結合する（焼結工程Ｓ１０２及び接合工程Ｓ１０３）。この焼結工程Ｓ１０２及び接合工程Ｓ１０３においては、図８に示すように、銅繊維及び銅板１２０の酸化処理を行う酸化処理工程Ｓ１２１と、酸化処理された銅繊維及び銅板１２０を還元して焼結する還元処理工程Ｓ１２２と、を備えている。

本実施形態では、銅繊維が積層配置された銅板１２０を加熱炉内に装入し、大気雰囲気で加熱して銅繊維を酸化処理する（酸化処理工程Ｓ１２１）。この酸化処理工程Ｓ１２１により、銅繊維及び銅板１２０の表面に、例えば厚さ１μｍ以上、１００μｍ以下の酸化物層が形成される。
ここで、本実施形態における酸化処理工程Ｓ１２１の条件は、保持温度が５２０℃以上、１０５０℃以下、望ましくは６００℃以上、１０００℃以下、保持時間が５分以上、３００分以下、望ましくは１０分以上、１００分以下の範囲内とされている。

次に、本実施形態では、酸化処理工程Ｓ１２１を実施した後、銅繊維が積層配置された銅板１２０を焼成炉内に装入し、還元雰囲気で加熱して、酸化された銅繊維及び銅板１２０を還元処理し、銅繊維同士を結合するとともに銅繊維と銅板１２０とを結合する（還元処理工程Ｓ１２２）。
ここで、本実施形態における還元処理工程Ｓ１２１の条件は、雰囲気が窒素と水素の混合ガス雰囲気、保持温度が６００℃以上、１０８０℃以下、望ましくは６５０℃以上、１０５０℃以下、保持時間が５分以上、３００分以下、望ましくは１０分以上、１００分以下の範囲内とされている。

この酸化処理工程Ｓ１２１及び還元処理工程Ｓ１２２により、銅繊維及び銅板１２０の表面に酸化還元層が形成され、微細な凹凸が生じることになる。
また、酸化処理工程Ｓ１２１によって銅繊維及び銅板１２０の表面に酸化物層が形成され、この酸化物層によって複数の銅繊維同士及び銅板１２０が架橋される。その後、還元処理Ｓ１２２を行うことで、銅繊維及び銅板１２０の表面に形成された酸化物層が還元され、酸化還元層を介して銅繊維同士が焼結されるとともに銅繊維と銅板１２０とが結合させる。
以上のような製造方法によって、本実施形態である銅多孔質複合部材１００が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態である銅多孔質複合部材１００によれば、銅板１２０の表面に、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされた銅繊維が焼結されてなる気孔率が高く、強度や寸法精度に優れた銅多孔質焼結体１１０が接合されており、伝熱特性及び導電性等の各種特性に優れている。

さらに、本実施形態においては、銅多孔質焼結体１１０を構成する銅繊維及び銅板１２０の表面に酸化還元層が形成されており、銅多孔質焼結体１１０を構成する銅繊維と銅板１２０の表面との結合部においては、銅繊維の表面に形成された酸化還元層と銅板１２０の表面に形成された酸化還元層とが一体に結合しているので、銅多孔質焼結体１１０と銅板１２０とが強固に接合されることになり、接合界面の強度、伝熱特性及び導電性等の各種特性に優れている。
また、上述の酸化還元層によって、銅繊維及び銅板１２０の表面に微細な凹凸が生じており、銅多孔質焼結体１１０を構成する銅繊維と銅板１２０の表面との結合部において、接合面積が確保されることになり、銅多孔質焼結体１１０と銅板１２０との接合強度を向上させることができる。

本実施形態である銅多孔質複合部材１００の製造方法によれば、銅板１２０の表面に、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされた銅繊維１１を、嵩密度Ｄ_Ｐが銅繊維１１の真密度Ｄ_Ｔの５０％以下となるように積層配置する銅繊維積層工程Ｓ１０１を備えているので、焼結工程Ｓ１０２においても、銅繊維同士の間の空隙を確保することができ、収縮を抑えることが可能となる。これにより、気孔率の高く寸法精度に優れた銅多孔質焼結体１１０を成形することができる。よって、熱伝導性や導電性等の各種特性に優れた銅多孔質複合部材１００を製造することが可能となる。

また、本実施形態である銅多孔質複合部材１００の製造方法においては、銅及び銅合金からなる銅板１２０の表面に銅繊維を積層配置し、焼結工程Ｓ１０２及び接合工程Ｓ１０３を同時に実施しているので、製造プロセスを簡略化することが可能となる。
さらに、本実施形態では、焼結工程Ｓ１０２及び接合工程Ｓ１０３では、銅繊維及び銅板１２０の表面を酸化させた後、酸化された銅繊維及び銅板１２０の表面を還元するとともに銅繊維同士及び銅繊維と銅板１２０の表面を結合させる構成としているので、銅繊維同士の焼結強度、及び、銅繊維（銅多孔質焼結体１１０）と銅板１２０との接合強度を向上させることが可能となる。本実施形態では、銅繊維及び銅板１２０の表面を酸化処理した後に還元することで、銅繊維及び銅板１２０の表面に酸化還元層が形成され、微細な凹凸が生じていることから、接合面積が確保され、銅繊維同士及び銅繊維と銅板１２０とを強固に結合することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、図５に示す製造設備を用いて、銅多孔質焼結体を製造するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の製造設備を用いて銅多孔質焼結体を製造してもよい。
焼結工程Ｓ０２、Ｓ１０２、接合工程Ｓ１０３における酸化処理工程Ｓ２１、Ｓ１２１の雰囲気については、所定温度で銅もしくは銅合金が酸化する酸化性雰囲気であればよく、具体的には、大気中に限らず、不活性ガス（例えば、窒素）に１０ｖｏｌ％以上の酸素を含有する雰囲気であればよい。また、還元処理工程Ｓ２２，Ｓ１２２の雰囲気についても、所定温度で銅酸化物が金属銅に還元もしくは酸化銅が分解する還元性雰囲気であればよく、具体的には、数ｖｏｌ％以上の水素を含有する窒素―水素混合ガス、アルゴン―水素混合ガス、純水素ガス、もしくは工業的によく用いられるアンモニア分解ガス、プロパン分解ガスなども好適に用いることができる。

また、第二の実施形態では、図７に示す構造の銅多孔質複合部材を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、図９から図１４に示すような構造の銅多孔質複合部材であってもよい。

例えば、図９に示すように、銅多孔質焼結体２１０の中に、部材本体として複数の銅管２２０が挿入された構造の銅多孔質複合部材２００であってもよい。
あるいは、図１０に示すように、銅多孔質焼結体３１０の中に、部材本体としてＵ字状に湾曲された銅管３２０が挿入された構造の銅多孔質複合部材３００であってもよい。

さらに、図１１に示すように、部材本体である銅管４２０の内周面に銅多孔質焼結体４１０を接合した構造の銅多孔質複合部材４００であってもよい。
また、図１２に示すように、部材本体である銅管５２０の外周面に銅多孔質焼結体５１０を接合した構造の銅多孔質複合部材５００であってもよい。

さらに、図１３に示すように、部材本体である銅管６２０の内周面及び外周面に銅多孔質焼結体６１０を接合した構造の銅多孔質複合部材６００であってもよい。
また、図１４に示すように、部材本体である銅板７２０の両面に銅多孔質焼結体７１０を接合した構造の銅多孔質複合部材７００であってもよい。

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
表１に示す焼結原料を用いて、上述の実施形態で示した製造方法により、幅３０ｍｍ×長さ２００ｍｍ×厚さ５ｍｍの銅多孔質焼結体を製造した。なお、比較例５においては、酸化処理工程を省略し、還元雰囲気のみで焼結工程を実施した。
得られた銅多孔質焼結体の接合部の断面観察を行った。本発明例２の銅多孔質焼結体の断面観察写真を図１５に示す。また、比較例５の銅多孔質焼結体の断面観察写真を図１６に示す。
さらに、得られた銅多孔質焼結体について、見掛け密度、引張強度について評価した。評価結果を表１に示す。なお、評価方法を以下に示す。

（見掛け密度）
得られた銅多孔質焼結体の見掛け密度Ｄ_Ａは、銅多孔質焼結体を構成する銅繊維の真密度Ｄ_Ｔに対する比率で評価した。

（引張強度）
得られた銅多孔質焼結体を幅１０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ５ｍｍの試験片に加工した後、インストロン型引張試験機を用いて引張試験を行い、最大引張強度（Ｓ）を測定した。前記測定により得られた最大引張強度は見掛け密度により変化するため、本実施例では、前記最大引張強度（Ｓ）を前記見掛け密度（Ｄ_Ａ)で規格化した値（Ｓ／Ｄ_Ａ）を相対引張強度として定義し、比較した。

本実施形態において製造された銅多孔質焼結体の結合部の断面観察を行った結果、図１５に示される本発明例２の銅多孔質焼結体では、銅繊維同士の結合部において銅繊維の表面に形成された酸化還元層同士が一体に結合している。そして、酸化還元層によって微細な凹凸が生じており、この凹凸が複雑に絡み合って一体化していることが確認される。

これに対して、図１６に示される酸化処理を行っていない比較例５の銅多孔質焼結体では、銅繊維の一部が結合しているのみであり、接合部における接合面積が本発明例に比べて著しく小さいことが確認される。すなわち、単に還元処理だけを行った場合においては、銅繊維の表面に酸化還元層が形成されず、表面状態は処理前と変化が無い比較的平滑な面であることから銅繊維同士の接合面積を十分に確保することができないのである。

また、表１に示すように、銅繊維の直径Ｒが０．０１ｍｍとされた比較例１及び銅繊維の直径Ｒが１．３ｍｍとされた比較例２においては、銅多孔質焼結体の引張強度が低くなっていることが確認される。
また、銅繊維の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが２とされた比較例３においては、嵩密度Ｄ_Ｐが銅繊維の真密度Ｄ_Ｔの６０％となっており、焼結後の見掛け密度Ｄ_Ａも銅繊維の真密度Ｄ_Ｔの７０％となっており、高い気孔率を確保することができなかった。

さらに、銅繊維の長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが３５００とされた比較例４においては、強度が低くなっている。これは、部分的に空隙が大きな箇所が存在し、局所的に強度が大幅に低下したためと推測される。
また、酸化処理を行わずに還元処理のみで焼結を実施した比較例５においては、銅多孔質焼結体の引張強度が低くなっていることが確認される。

これに対して、本発明例の銅多孔質焼結体においては、銅繊維を積層配置した際の嵩密度Ｄ_Ｐに対して、焼結後の見掛け密度Ｄ_Ａが大きく変化しておらず、焼結時の収縮が抑えられていることが確認される。また、引張強度も高く、銅繊維同士が強固に結合していることが確認される。
以上のことから、本発明によれば、高い気孔率を有するとともに十分な強度を有する高品質の銅多孔質焼結体を提供可能であることが確認された。

１０、１１０銅多孔質焼結体
１１銅繊維
１２酸化還元層
１００銅多孔質複合部材
１２０銅板（部材本体）

Claims

複数の銅繊維が焼結されてなる銅多孔質焼結体の製造方法であって、
前記銅繊維は、銅又は銅合金からなり、直径Ｒが０．０２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内とされ、長さＬと直径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上、２５００以下の範囲内とされており、
複数の前記銅繊維を積層する銅繊維積層工程と、積層された複数の前記銅繊維体同士を焼結する焼結工程と、を有し、
前記銅繊維積層工程では、嵩密度Ｄ_Ｐを前記銅繊維の真密度Ｄ_Ｔの５０％以下となるように複数の前記銅繊維を積層配置し、
前記焼結工程では、前記銅繊維を酸化させて前記銅繊維の表面に酸化物層を形成し、この酸化物層によって複数の銅繊維同士を結合し、その後、前記酸化物層を還元して酸化還元層を形成することを特徴とする銅多孔質焼結体の製造方法。
部材本体と、複数の銅繊維が焼結されてなる銅多孔質焼結体とが接合された銅多孔質複合部材の製造方法であって、
請求項１に記載の銅多孔質焼結体の製造方法によって製造された銅多孔質焼結体と、前記部材本体とを接合する接合工程を備えていることを特徴とする銅多孔質複合部材の製造方法。
前記部材本体のうち前記銅多孔質焼結体が接合される接合面は、銅又は銅合金で構成されており、
前記銅繊維積層工程では、前記部材本体の前記接合面に複数の前記銅繊維を積層配置し、前記焼結工程及び前記接合工程では、前記銅繊維及び前記部材本体の前記接合面を酸化させて前記銅繊維及び前記部材本体の前記接合面に酸化物層を形成し、この酸化物層によって前記銅繊維及び前記部材本体の前記接合面を結合し、その後、前記酸化物層を還元して酸化還元層を形成することを特徴とする請求項２に記載の銅多孔質複合部材の製造方法。