JP2004161560A - 炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】炭化ホウ素ナノワイヤーを多量に製造し、製造コストを安価に抑える。
【解決手段】ホウ素、酸化ホウ素及び炭素をアルゴン雰囲気中で１０００℃〜２１００℃の高温下に反応させる。
【選択図】 図２
【解決手段】ホウ素、酸化ホウ素及び炭素をアルゴン雰囲気中で１０００℃〜２１００℃の高温下に反応させる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、耐熱耐火性衣服をはじめとし、原子力産業用の中性子吸収剤、熱・電気エネルギー変換等の分野で軽量高耐熱高強度材料として有用な炭化ホウ素ナノワイヤーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化ホウ素ナノ材料を合成する方法としてプラズマＣＶＤ法が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。また、多孔性のアルミナを鋳型として用い、配向性を有する炭化ホウ素ナノワイヤーを製造する方法が提案されている（たとえば、非特許文献２参照）。
【０００３】
さらに、カーボンナノチューブを鋳型として用い、炭化ホウ素ナノワイヤーを合成する方法が提案されてもいる（たとえば、非特許文献３参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｚｈａｎｇ， Ｄ．外４名，ジャーナル・オブ・マテリアル・サイエンス・レターズ（Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｓｃｉ． Ｌｅｔｔ．）１９９９年，第１巻，ｐ．３４９
【非特許文献２】
Ｐｅｎｄｅｒ， Ｍ．外１名，ケミカル・マテリアルズ（Ｃｈｅｍ． Ｍａｔｅｒ． ），２０００年，第１２巻，ｐ．２８０
【非特許文献３】
Ｄａｉ， Ｈ．外４名，ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ），１９９５年，第３７５巻，ｐ．７６９
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法には、炭化ホウ素ナノワイヤーの多量な製造ができない、製造コストが高い等の問題がある。
【０００６】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、原料を高温で加熱するのみで製造が容易で、上記の問題を解消することのできる新しい炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、ホウ素、酸化ホウ素及び炭素をアルゴン雰囲気中で１０００℃〜２１００℃の高温下に反応させることを特徴とする炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法（請求項１）を提供する。
【０００８】
この出願の発明は、請求項１記載の発明に関し、鉄を添加すること（請求項２）を一態様として提供する。
【０００９】
また、この出願の発明は、ホウ素、酸化ホウ素及び炭素にＢ４Ｎ３Ｏ２Ｈを添加し、窒素雰囲気中で１０００℃〜２１００℃の高温下に反応させ、炭化ホウ素ナノワイヤーの表面を窒化ホウ素で被覆することを特徴とする炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法（請求項３）を提供する。
【００１０】
さらに、この出願の発明は、請求項１、２又は３いずれかに記載の発明に関し、炭素はカーボンブラックであること（請求項４）を一態様として提供する。
【００１１】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明の炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法についてさらに詳しく説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
たとえば、円筒状のるつぼにホウ素、酸化ホウ素及び炭素を入れ、るつぼを高周波誘導加熱炉中に配置し、アルゴン気流中で１０００℃〜２１００℃の高温に加熱し、その温度に約２時間保って反応させる。１０００℃未満であると反応速度が低下し、短時間での収量が減少する。２１００℃を超えると、原料の蒸発、生成物の形状変化等が起こる。反応終了後には、るつぼの上壁に黒灰色の繊維状の蒸着物が堆積する。この蒸着物が炭化ホウ素ナノワイヤーである。原料中の出発物質のモル比を変えると、種々の形態の生成物が得られる。たとえば、炭素のモル比を増加させると、ナノワイヤーの含有量が多くなり、炭素のモル比を減少させると、薄片状等の生成物が多く形成される。
【００１３】
また、原料中に鉄を添加すると、炭化ホウ素ナノワイヤーの先端部が、主に鉄成分から構成される球状となる。鉄の添加量は、一般的には、０．１重量％〜５重量％程度である。
【００１４】
一方、原料のホウ素、酸化ホウ素及び炭素にＢ４Ｎ３Ｏ２Ｈを添加し、窒素雰囲気中で１０００℃〜２１００℃の高温に加熱すると、炭化ホウ素ナノワイヤーの表面が窒化ホウ素で被覆される。
【００１５】
原料の炭素にカーボンブラックを使用すると、カーボンブラックは不定形であり、安価なため、好適となる。
【００１６】
この出願の発明の炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法は、以上のとおり、原料を加熱するだけであるため、これまでに提案された前述のどの製造方法より大きな経済的利点を有する。また、炭化ホウ素ナノワイヤーを多量に製造することを可能にする。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
カーボンブラック、ホウ素粉末（純度９９％）及び酸化ホウ素（純度９９．９９％）をモル比１：２：１として円筒状のるつぼ中に入れた。このるつぼを高周波誘導加熱炉の中に入れ、アルゴン気流中で急速に加熱し、１５分以内に１６５０℃に昇温してこの温度に２時間保持した。反応終了後、るつぼの上壁に繊維状の生成物が堆積した。
【００１８】
生成物についてその結晶構造をＸ線回折により解析した。その結果が図１に示したＸ線回折パターンである。このＸ線回折パターンからＢ４Ｃ（ａ＝５．６００３Å， ｃ＝１２．０８６Å）あるいはＢ１３Ｃ２（ａ＝５．６３３０Å， ｃ＝１２．１６４０Å）の構造と一致しており、他の構造を示すパターンは見られず、高純度の炭化ホウ素であることが判明した。
【００１９】
生成物を走査型電子顕微鏡で観察した結果が図２ａ及び図２ｂの写真である。
【００２０】
図２ａ及び図２ｂの写真から非常に均質なナノワイヤーであることが確認された。ナノワイヤーの直径は５０ｎｍ〜２００ｎｍであった。
（実施例２）
カーボンブラック、ホウ素粉末及び酸化ホウ素のモル比を１：８：４に変更した以外は、実施例１と同様にした。実施例２では、実施例１に比べカーボンブラックのモル数が減少している。図３ａ及び図３ｂに生成物の走査型電子顕微鏡写真を示したように、炭化ホウ素のナノワイヤーの他に薄片状物質や小板状物質が生成していることが確認された。また、図３ｃの走査型電子顕微鏡写真に示したように、屈曲したナノワイヤーも得られた。
（実施例３）
カーボンブラックとして、鉄を０．５重量％、ニッケルを０．１重量％含むものを出発物質に用いた以外は、実施例１と同様にした。生成物の走査型電子顕微鏡写真を示した図４ａから明らかなように、ナノワイヤーであることが確認された。また、直径５０ｎｍ〜２００ｎｍのナノワイヤーの他に、これよりも細い直径１０ｎｍ〜３０ｎｍのナノワイヤーが生成していることも確認される。
【００２１】
さらに、図４ｂに示した走査型電子顕微鏡写真から、以上のナノワイヤーの先端部は球状になっていることが確認された。その球状部分は、図４ｃに示したエネルギー分散Ｘ線回折パターンから主に鉄成分から構成されていることが判明した。
（実施例４）
実施例１で用いた原料の全量に対して２０重量％のＢ４Ｎ３Ｏ２Ｈを添加し、窒素ガス雰囲気中において実施例１と同様に炭素ホウ素ナノワイヤーの製造を行った。得られた生成物は、図５の透過型電子顕微鏡写真に示したように、炭化ホウ素ナノワイヤーの表面が窒化ホウ素で被覆されていることが確認された。
【００２２】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。出発物質のモル比、加熱条件、添加物の添加量等の細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、耐熱耐火性衣服をはじめとし、原子力産業用の中性子吸収剤、熱・電気エネルギー変換等の分野で軽量高耐熱高強度材料として有望視される炭化ホウ素ナノワイヤーを多量に製造し、製造コストを安価に抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で得られた生成物のＸ線回折パターンである。
【図２】ａ，ｂはそれぞれ実施例１で得られた生成物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】ａ，ｂ，ｃはそれぞれ実施例２で得られた生成物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】ａ，ｂはそれぞれ実施例３で得られた生成物の走査型電子顕微鏡写真であり、ｃは球状先端部のエネルギー分散Ｘ線回折パターンである。
【図５】実施例４で得られた生成物の走査型電子顕微鏡写真である。
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、耐熱耐火性衣服をはじめとし、原子力産業用の中性子吸収剤、熱・電気エネルギー変換等の分野で軽量高耐熱高強度材料として有用な炭化ホウ素ナノワイヤーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化ホウ素ナノ材料を合成する方法としてプラズマＣＶＤ法が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。また、多孔性のアルミナを鋳型として用い、配向性を有する炭化ホウ素ナノワイヤーを製造する方法が提案されている（たとえば、非特許文献２参照）。
【０００３】
さらに、カーボンナノチューブを鋳型として用い、炭化ホウ素ナノワイヤーを合成する方法が提案されてもいる（たとえば、非特許文献３参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｚｈａｎｇ， Ｄ．外４名，ジャーナル・オブ・マテリアル・サイエンス・レターズ（Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｓｃｉ． Ｌｅｔｔ．）１９９９年，第１巻，ｐ．３４９
【非特許文献２】
Ｐｅｎｄｅｒ， Ｍ．外１名，ケミカル・マテリアルズ（Ｃｈｅｍ． Ｍａｔｅｒ． ），２０００年，第１２巻，ｐ．２８０
【非特許文献３】
Ｄａｉ， Ｈ．外４名，ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ），１９９５年，第３７５巻，ｐ．７６９
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法には、炭化ホウ素ナノワイヤーの多量な製造ができない、製造コストが高い等の問題がある。
【０００６】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、原料を高温で加熱するのみで製造が容易で、上記の問題を解消することのできる新しい炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、ホウ素、酸化ホウ素及び炭素をアルゴン雰囲気中で１０００℃〜２１００℃の高温下に反応させることを特徴とする炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法（請求項１）を提供する。
【０００８】
この出願の発明は、請求項１記載の発明に関し、鉄を添加すること（請求項２）を一態様として提供する。
【０００９】
また、この出願の発明は、ホウ素、酸化ホウ素及び炭素にＢ４Ｎ３Ｏ２Ｈを添加し、窒素雰囲気中で１０００℃〜２１００℃の高温下に反応させ、炭化ホウ素ナノワイヤーの表面を窒化ホウ素で被覆することを特徴とする炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法（請求項３）を提供する。
【００１０】
さらに、この出願の発明は、請求項１、２又は３いずれかに記載の発明に関し、炭素はカーボンブラックであること（請求項４）を一態様として提供する。
【００１１】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明の炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法についてさらに詳しく説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
たとえば、円筒状のるつぼにホウ素、酸化ホウ素及び炭素を入れ、るつぼを高周波誘導加熱炉中に配置し、アルゴン気流中で１０００℃〜２１００℃の高温に加熱し、その温度に約２時間保って反応させる。１０００℃未満であると反応速度が低下し、短時間での収量が減少する。２１００℃を超えると、原料の蒸発、生成物の形状変化等が起こる。反応終了後には、るつぼの上壁に黒灰色の繊維状の蒸着物が堆積する。この蒸着物が炭化ホウ素ナノワイヤーである。原料中の出発物質のモル比を変えると、種々の形態の生成物が得られる。たとえば、炭素のモル比を増加させると、ナノワイヤーの含有量が多くなり、炭素のモル比を減少させると、薄片状等の生成物が多く形成される。
【００１３】
また、原料中に鉄を添加すると、炭化ホウ素ナノワイヤーの先端部が、主に鉄成分から構成される球状となる。鉄の添加量は、一般的には、０．１重量％〜５重量％程度である。
【００１４】
一方、原料のホウ素、酸化ホウ素及び炭素にＢ４Ｎ３Ｏ２Ｈを添加し、窒素雰囲気中で１０００℃〜２１００℃の高温に加熱すると、炭化ホウ素ナノワイヤーの表面が窒化ホウ素で被覆される。
【００１５】
原料の炭素にカーボンブラックを使用すると、カーボンブラックは不定形であり、安価なため、好適となる。
【００１６】
この出願の発明の炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法は、以上のとおり、原料を加熱するだけであるため、これまでに提案された前述のどの製造方法より大きな経済的利点を有する。また、炭化ホウ素ナノワイヤーを多量に製造することを可能にする。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
カーボンブラック、ホウ素粉末（純度９９％）及び酸化ホウ素（純度９９．９９％）をモル比１：２：１として円筒状のるつぼ中に入れた。このるつぼを高周波誘導加熱炉の中に入れ、アルゴン気流中で急速に加熱し、１５分以内に１６５０℃に昇温してこの温度に２時間保持した。反応終了後、るつぼの上壁に繊維状の生成物が堆積した。
【００１８】
生成物についてその結晶構造をＸ線回折により解析した。その結果が図１に示したＸ線回折パターンである。このＸ線回折パターンからＢ４Ｃ（ａ＝５．６００３Å， ｃ＝１２．０８６Å）あるいはＢ１３Ｃ２（ａ＝５．６３３０Å， ｃ＝１２．１６４０Å）の構造と一致しており、他の構造を示すパターンは見られず、高純度の炭化ホウ素であることが判明した。
【００１９】
生成物を走査型電子顕微鏡で観察した結果が図２ａ及び図２ｂの写真である。
【００２０】
図２ａ及び図２ｂの写真から非常に均質なナノワイヤーであることが確認された。ナノワイヤーの直径は５０ｎｍ〜２００ｎｍであった。
（実施例２）
カーボンブラック、ホウ素粉末及び酸化ホウ素のモル比を１：８：４に変更した以外は、実施例１と同様にした。実施例２では、実施例１に比べカーボンブラックのモル数が減少している。図３ａ及び図３ｂに生成物の走査型電子顕微鏡写真を示したように、炭化ホウ素のナノワイヤーの他に薄片状物質や小板状物質が生成していることが確認された。また、図３ｃの走査型電子顕微鏡写真に示したように、屈曲したナノワイヤーも得られた。
（実施例３）
カーボンブラックとして、鉄を０．５重量％、ニッケルを０．１重量％含むものを出発物質に用いた以外は、実施例１と同様にした。生成物の走査型電子顕微鏡写真を示した図４ａから明らかなように、ナノワイヤーであることが確認された。また、直径５０ｎｍ〜２００ｎｍのナノワイヤーの他に、これよりも細い直径１０ｎｍ〜３０ｎｍのナノワイヤーが生成していることも確認される。
【００２１】
さらに、図４ｂに示した走査型電子顕微鏡写真から、以上のナノワイヤーの先端部は球状になっていることが確認された。その球状部分は、図４ｃに示したエネルギー分散Ｘ線回折パターンから主に鉄成分から構成されていることが判明した。
（実施例４）
実施例１で用いた原料の全量に対して２０重量％のＢ４Ｎ３Ｏ２Ｈを添加し、窒素ガス雰囲気中において実施例１と同様に炭素ホウ素ナノワイヤーの製造を行った。得られた生成物は、図５の透過型電子顕微鏡写真に示したように、炭化ホウ素ナノワイヤーの表面が窒化ホウ素で被覆されていることが確認された。
【００２２】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。出発物質のモル比、加熱条件、添加物の添加量等の細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、耐熱耐火性衣服をはじめとし、原子力産業用の中性子吸収剤、熱・電気エネルギー変換等の分野で軽量高耐熱高強度材料として有望視される炭化ホウ素ナノワイヤーを多量に製造し、製造コストを安価に抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で得られた生成物のＸ線回折パターンである。
【図２】ａ，ｂはそれぞれ実施例１で得られた生成物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】ａ，ｂ，ｃはそれぞれ実施例２で得られた生成物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】ａ，ｂはそれぞれ実施例３で得られた生成物の走査型電子顕微鏡写真であり、ｃは球状先端部のエネルギー分散Ｘ線回折パターンである。
【図５】実施例４で得られた生成物の走査型電子顕微鏡写真である。
Claims (4)
- ホウ素、酸化ホウ素及び炭素をアルゴン雰囲気中で１０００℃〜２１００℃の高温下に反応させることを特徴とする炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法。
- 鉄を添加する請求項１記載の炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法。
- ホウ素、酸化ホウ素及び炭素にＢ４Ｎ３Ｏ２Ｈを添加し、窒素雰囲気中で１０００℃〜２１００℃の高温下に反応させ、炭化ホウ素ナノワイヤーの表面を窒化ホウ素で被覆することを特徴とする炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法。
- 炭素はカーボンブラックである請求項１、２又は３いずれかに記載の炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP2002330832A JP3658622B2 (ja) | 2002-11-14 | 2002-11-14 | 炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法 |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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ID=32808416
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002330832A Expired - Lifetime JP3658622B2 (ja) | 2002-11-14 | 2002-11-14 | 炭化ホウ素ナノワイヤーの製造方法 |
Country Status (1)
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| JP (1) | JP3658622B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112794330A (zh) * | 2021-01-18 | 2021-05-14 | 黑龙江冠瓷科技有限公司 | 一种碳化硼纳米线的制备方法 |
| CN114772601A (zh) * | 2022-05-05 | 2022-07-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种高强度高韧性碳化硼纳米线的无催化剂可控批量制备方法 |
| CN114920247A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-08-19 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于NaCl形状调节剂的碳化硼纳米线的制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN106830943B (zh) * | 2017-01-24 | 2020-03-20 | 东北大学 | 一种正己烷分散硼酸包覆纤维素粉制备碳化硼微粉的方法 |
-
2002
- 2002-11-14 JP JP2002330832A patent/JP3658622B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| CN112794330A (zh) * | 2021-01-18 | 2021-05-14 | 黑龙江冠瓷科技有限公司 | 一种碳化硼纳米线的制备方法 |
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| CN114920247A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-08-19 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于NaCl形状调节剂的碳化硼纳米线的制备方法 |
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| JP3658622B2 (ja) | 2005-06-08 |
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