JP2001294413A - カーボンナノチューブの製造方法および多孔質SiC材料の製造方法および多孔質SiC材料 - Google Patents

カーボンナノチューブの製造方法および多孔質SiC材料の製造方法および多孔質SiC材料

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JP2001294413A
JP2001294413A JP2000109820A JP2000109820A JP2001294413A JP 2001294413 A JP2001294413 A JP 2001294413A JP 2000109820 A JP2000109820 A JP 2000109820A JP 2000109820 A JP2000109820 A JP 2000109820A JP 2001294413 A JP2001294413 A JP 2001294413A
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JP
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porous
sic material
carbon
porous sic
carbon nanotube
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Hidemitsu Sakamoto
秀光 坂元
Sumio Kamiya
純生 神谷
Hiroshi Suzuki
鈴木  寛
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0051Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity
    • C04B38/0054Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity the pores being microsized or nanosized

Abstract

(57)【要約】 【課題】 SiCの昇華分解によるカーボンナノチュー
ブの生成を容易に制御でき、工業的に安定して高い収率
でカーボンナノチューブを製造する方法および上記昇華
分解によりカーボンナノチューブを生成するのに適した
多孔質SiC材料の製造方法およびそれにより製造され
る多孔質SiC材料を提供する。 【解決手段】 多孔質炭素材料の細孔にSiを含浸さ
せ、熱処理することにより多孔質SiC材料を生成させ
る。この多孔質SiC材料を真空下で熱処理して昇華分
解させることによりカーボンナノチューブを生成させ
る。典型的には、多孔質炭素材料として炭化された木材
を用い、細孔は木材の導管に対応する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、カーボンナノチュ
ーブの製造方法、多孔質SiC材料の製造方法および多
孔質SiC材料に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、カーボンナノチューブは高性能の
吸着材あるいはフィルター材として注目されており、そ
の製造方法はこれまでに種々報告されている。例えば、
特開平10−265208号公報あるいはM. Kusunoki
et al., "Epitaxial Carbon Nanotube film self-organ
ized by sublimation decomposition of silicon carbi
de", Appl. Phys. Lett. 71(18), 3 November 1997に
は、SiC表面をレーザービームにて加熱してSiを選
択的に昇華させることによりSiCを分解し、カーボン
ナノチューブを生成させる方法が提案されている。
【0003】しかし、上記提案された方法は生成条件を
安定して制御することが困難であり、その結果高い収率
で安定してカーボンナノチューブを生成させることがで
きないため、工業的な生産方法として採用するには適さ
なかった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的
は、SiCの昇華分解によるカーボンナノチューブの生
成を容易に制御でき、工業的に安定して高い収率でカー
ボンナノチューブを製造する方法を提供することであ
る。本発明の第2の目的は、上記昇華分解によりカーボ
ンナノチューブを生成するのに適した多孔質SiC材料
の製造方法およびそれにより製造される多孔質SiC材
料を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のカーボンナノチューブの製造方法は、下
記の工程:多孔質炭素材料の細孔にSiを含浸させる工
程、該Siが含浸された多孔質炭素材料を熱処理するこ
とにより該多孔質炭素材料の炭素と該含浸されたSiと
を反応させて多孔質SiC材料を生成させる工程、およ
び該多孔質SiC材料を真空下で熱処理して昇華分解さ
せることによりカーボンナノチューブを生成させる工
程、を含むことを特徴とする。
【0006】典型的には、前記多孔質炭素材料として炭
化された木材を用い、前記細孔は該木材の導管に対応す
る。また、本発明の多孔質SiC材料の製造方法は、下
記の工程:多孔質炭素材料の細孔にSiを含浸させる工
程、および該Siが含浸された多孔質炭素材料を熱処理
することにより該多孔質炭素材料の炭素と該含浸された
Siとを反応させて多孔質SiC材料を生成させる工
程、を含むことを特徴とする。
【0007】典型的には、前記多孔質炭素材料として炭
化された木材を用い、前記細孔は該木材の導管に対応す
る。本発明の多孔質SiC材料は、木材の導管に対応す
る細孔を有することを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の方法によれば、多孔質炭
素材料の細孔にSiを含浸させ、熱処理することにより
SiCを生成させるので、全体がSiCから成る多孔質
材料を容易に生成できる。この多孔質SiC材料を真空
下で熱処理して昇華分解させることによりカーボンナノ
チューブを生成させるので、生成条件を容易に制御する
ことができ、同時に、多数の細孔の壁面全体がカーボン
ナノチューブの生成サイトとなるので、体積当たり多量
のカーボンナノチューブを生成させることができ、極め
て高い収率でカーボンナノチューブを製造することがで
きる。
【0009】特に、多孔質炭素材料として炭化木材を用
いると、安価であるばかりでなく、木材の導管に対応し
て細孔が形成されるので細孔同士の間の隔壁が薄いた
め、細孔に含浸されたSiと炭素材料の炭素との反応に
よって隔壁全部が容易にSiCとなり、多孔質SiC材
料が容易に得られる。
【0010】
【実施例】本発明により下記の手順でカーボンナノチュ
ーブを製造した。 <多孔質炭素材料の作製>ラジアタパイン材(オースト
ラリア産)から100mm×100mm×25mmの角材を切
り出し、下記の条件および手順にて炭化処理を行った。
【0011】先ず、角材の割れ防止のために、大気中で
50℃にて5時間保持して水分を除去した。次に、窒素
ガス雰囲気中で500℃にて炭化熱処理を行った。得ら
れた炭化木材(ウッドカーボン)から成る多孔質炭素材
料は、図1および図2にそれぞれ横断面および縦断面の
走査電子顕微鏡写真で示したように、元の木材を長手方
向に貫通する導管に対応して、ほぼ貫通孔と考えられる
多数の細孔が密集して並行して延びた微細構造であっ
た。図示の例では細孔径は10〜30μm、細孔壁の厚
さは約5μmであった。
【0012】<多孔質SiC材料の製造>上記炭化木材
上に金属シリコンのインゴットを載置し、カーボンモー
ルド内にセットして真空炉内に装入した。真空炉内を約
0.1torrまで減圧した後、1500℃に加熱して4時
間保持することにより、金属シリコンを溶融させて炭化
木材の細孔内に含浸し、かつ炭化木材の炭素と反応させ
た。これにより多孔質SiC材料が得られた。
【0013】得られた多孔質SiC材料は、図3および
図4にそれぞれ横断面および縦断面の走査電子顕微鏡奢
侈で示したように、炭化木材の細孔壁全体がSiCの微
粒子に変換された微細構造であった。図示の例ではSi
C微粒子は直径数μmであった。Si含浸およびSi/
C反応のための加熱温度は次の観点から選択した。すな
わち、溶融金属シリコンの流動性を確保して細孔内への
含浸を完全に行うために、加熱温度は約1400℃以上
とすることが望ましい。加熱温度が低すぎて含浸が不完
全になると、未反応の炭素分およびSi分が残る。一
方、加熱温度は約1600℃以下とすることが望まし
い。加熱温度が高すぎると金属シリコンが昇華してしま
い、未反応の炭素が残留してしまい均一なSiCが得ら
れない。
【0014】また、金属シリコンインゴットの量は次の
観点から選択した。すなわち、基本的には、炭素と過不
足なく反応するように、炭化木材の重量に対して等モル
分とする。すなわち金属シリコンの量=炭化木材重量×
28/12とする。ここで28=Si原子量、12=炭
素原子量である。ただし、実際の操業においては、金属
シリコン量の不足による未反応炭素の残留を防止するた
めに、等モル分よりも若干多い量の金属シリコンを用い
ることができる。この場合、過剰の金属シリコンが残留
した場合には、多孔質SiC材料を約1700℃以上の
温度に加熱することにより、残留金属シリコンを昇華さ
せて除去することができる。
【0015】〔カーボンナノチューブの製造〕上記で得
られた多孔質SiC材料が収容されている上記真空炉内
を高真空(1×10-5 torr)に減圧した後、1900℃
に加熱して6時間保持することによりSiCを昇華分解
させて、カーボンナノチューブを生成させた。得られた
カーボンナノチューブは、図5および図6にそれぞれ異
なる倍率の透過電子顕微鏡写真で示したように、チュー
ブ直径50〜60nm程度、チューブ壁厚さ15nm程
度であった。
【0016】SiC昇華分解のための加熱温度は約19
00℃あるいはそれ以上とすることが必要であった。加
熱温度がこれより低いとカーボンナノチューブが生成し
なかった。したがって、昇華分解を確実に行うために
は、加熱温度を2000℃程度としてもよい。ただし、
高温にするほど、設備の負担は大きくなる。本実施例で
示したように、カーボンナノチューブの生成に適した多
孔質SiC材料を、炭化木材から安価に製造できる。
【0017】炭化木材から成る多孔質炭素材料は、炭化
前の木材を貫通する導管構造をほぼそのまま反映した細
孔構造を持っているので、溶融金属シリコンが容易に細
孔内に流れ込んで多孔質炭素材料の内部まで完全に含浸
できる上、細孔壁が厚さ5μm程度と非常に薄いため細
孔壁全体が容易にSiと反応し、多孔質炭素材料全体を
SiCに変換できる。その結果、木材の導管構造をほぼ
そのまま引き継いだ細孔構造を持つ多孔質SiC材料が
得られる。
【0018】そして、この多孔質SiC材料は細孔が実
質的に貫通孔であるため、内部の細孔壁を構成するSi
C粒子も昇華分解によりカーボンナノチューブの生成源
となり、体積内に高密度でカーボンナノチューブが生成
するので、極めて高い収率が得られる。また、本発明の
多孔質SiC材料は、カーボンナノチューブの生成源と
して有用であるばかりでなく、それ自体が下記の用途に
おいて極めて有用である。
【0019】すなわち、多孔質SiC材料は、AlやC
u等の金属を含浸するプリフォームとして望ましい材料
であり、これにより電子部品の放熱基板等をはじめ多種
多様な用途に適用できる。特に、多孔質炭素材料として
炭化木材を用いて製造した多孔質SiC材料は、貫通孔
である木材の導管に対応した直径10〜30μmの細孔
が密集して並行した構造なので、例えばディーゼルエン
ジン排ガス中のパーティキュレート用フィルター(DP
F)等として極めて有用である。細孔径は、多孔質炭素
材料を製造する際に炭化前の木材への樹脂含浸量の調整
や、細孔壁を構成するSiC粒子の成長を調整すること
により、種々に制御することができる。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、SiCの昇華分解によ
るカーボンナノチューブの生成を容易に制御でき、工業
的に安定して高い収率でカーボンナノチューブを製造す
ることができる。また、上記昇華分解によりカーボンナ
ノチューブを生成するのに適した安価な多孔質SiC材
料が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、炭化木材から成る多孔質炭素材料の横
断面の微細構造を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図2】図2は、図1の多孔質炭素材料の縦断面の微細
構造を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図3】図3は、図1および図2に示した微細構造の多
孔質炭素材料から製造した多孔質SiC材料の横断面の
微細組織を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図4】図4は、図3の多孔質SiC材料の縦断面の微
細構造を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図5】図5は、図3および図4に示した微細構造の多
孔質SiC材料上に生成したカーボンナノチューブを示
す透過電子顕微鏡写真である。
【図6】図6は、図5に示したカーボンナノチューブを
より高倍率で示す透過電子顕微鏡写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 寛 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 4G046 CA00 CB01 CC03 MA14 MC01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記の工程:多孔質炭素材料の細孔内に
    Siを含浸させる工程、 上記含浸後の多孔質炭素材料を熱処理することにより該
    多孔質炭素材料の炭素と該含浸されたSiとを反応させ
    て多孔質SiC材料を生成させる工程、および該多孔質
    SiC材料を真空下で熱処理して昇華分解させることに
    よりカーボンナノチューブを生成させる工程、を含むこ
    とを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記多孔質炭素材料として炭化された木
    材を用い、前記細孔は該木材の導管に対応することを特
    徴とする請求項1記載のカーボンナノチューブの製造方
    法。
  3. 【請求項3】 下記の工程:多孔質炭素材料の細孔にS
    iを含浸させる工程、および該Siが含浸された多孔質
    炭素材料を熱処理することにより該多孔質炭素材料の炭
    素と該含浸されたSiとを反応させて多孔質SiC材料
    を生成させる工程、を含むことを特徴とする多孔質Si
    材料の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記多孔質炭素材料として炭化された木
    材を用い、前記細孔は該木材の導管に対応することを特
    徴とする請求項3記載の多孔質SiC材料の製造方法。
  5. 【請求項5】 木材の導管に対応する細孔を有すること
    を特徴とする多孔質SiC材料。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007523822A (ja) * 2004-01-15 2007-08-23 ナノコンプ テクノロジーズ インコーポレイテッド 伸長した長さのナノ構造の合成のためのシステム及び方法
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CN105518187A (zh) * 2013-09-06 2016-04-20 Gtat公司 生产大块硅碳化物的方法
JP2018048056A (ja) * 2016-09-23 2018-03-29 國家中山科學研究院 炭化物原料の製造方法

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