JP2008512341A - 金属カーバイド及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属カーバイドと、該金属カーバイドをワンステップのプロセスによって合成する方法に関するものである。各種金属(例えば、Si、Ti、W、Hf、Zr、V、Cr、Ta、B、Nb、Al、Mn、Ni、Fe、Co及びMoであり、これらに限定されるものではない)の酸化物を、球状又は繊維状のナノ構造カーボン前駆物質と物理的に混合し、900〜1900℃の温度まで誘導加熱して、金属酸化物をカーボンと反応させて、異なる金属カーバイドを生成するものである。このプロセスでは、得られた金属カーバイドの中でカーボン前駆物質は元の形態が維持される。得られたナノサイズの金属カーバイドは、高結晶性である。金属カーバイド製品は、高温熱電装置、量子井戸、光電子装置、半導体、防護服、装甲車、触媒等の用途に用いられ、アルミニウム及びその他合金に不連続補強材として用いられる。
【選択図】図2
【選択図】図2
Description
<関連出願の記載>
本願は、2004年9月9日に出願された米国特許出願第10/937,043号の優先権を主張し、前記出願は参照を以て本願に組み入れられる。
本願は、2004年9月9日に出願された米国特許出願第10/937,043号の優先権を主張し、前記出願は参照を以て本願に組み入れられる。
<発明の分野>
本発明は、金属カーバイドの製造に関するものである。より具体的には、本発明は、複数種類のカーボン材料から、ワンステップのプロセスで金属カーバイドを生成することに関するものであり、新規な誘導加熱工程を利用することにより、金属酸化物がカーボン源と化合されて、金属カーバイドに転換される。
本発明は、金属カーバイドの製造に関するものである。より具体的には、本発明は、複数種類のカーボン材料から、ワンステップのプロセスで金属カーバイドを生成することに関するものであり、新規な誘導加熱工程を利用することにより、金属酸化物がカーボン源と化合されて、金属カーバイドに転換される。
<発明の背景>
現在の技術では、金属カーバイドは、一般的には、複数ステップのプロセスで製造されており、第1ステップでは、炭素含有ガスから熱分解で得られた炭素を、金属酸化物の上に堆積させる。炭素と金属酸化物の複合物は、次に、1200℃以上の高温で数時間以上抵抗加熱することにより、不活性雰囲気中で還元され、金属カーバイドが得られる。
従来技術の中に、ワンステップのプロセスを開示したものがある(J.Mat.Sci33(1998)1049-1055)。しかしながら、この文献は、抵抗加熱を用いており、反応時間が長い。従来のこれらの方法では、得られた金属カーバイドの粒子サイズは、開始物質の粒子サイズよりも大きい。また、生成物をEDS分析すると酸素の残留が検出され、これは、転換が完全に行われていないことを意味する。
現在の技術では、金属カーバイドは、一般的には、複数ステップのプロセスで製造されており、第1ステップでは、炭素含有ガスから熱分解で得られた炭素を、金属酸化物の上に堆積させる。炭素と金属酸化物の複合物は、次に、1200℃以上の高温で数時間以上抵抗加熱することにより、不活性雰囲気中で還元され、金属カーバイドが得られる。
従来技術の中に、ワンステップのプロセスを開示したものがある(J.Mat.Sci33(1998)1049-1055)。しかしながら、この文献は、抵抗加熱を用いており、反応時間が長い。従来のこれらの方法では、得られた金属カーバイドの粒子サイズは、開始物質の粒子サイズよりも大きい。また、生成物をEDS分析すると酸素の残留が検出され、これは、転換が完全に行われていないことを意味する。
この明細書で使用される語について、次のとおり定義する。
1.「形態(morphology)」という語は、生成された金属カーバイドにおける炭素系反応物質のサイズ及び形状を記載するのに用いられる。
2.「TEM(Transmission Electron Microscopy)」は、形態を描写するために用いられる。
3.「XRD(X-Ray Diffraction)」は、結晶の構造と相を規定するために用いられる。
4.「STEMEDS、EDS(Electron Diffraction Spectroscopy)」は、微小元素分析に用いられる。
発明者らの実験プロセスにおいて、発明者らは、カーボンコア上に金属カーバイドコーティングが得られるものと考えている。以下に説明するように、予期され得なかった結果として、全体が金属カーバイドからなり、カーボン前駆物質の形態が保持されたコンポジション(composition)が得られたのは注目されるべきである。
1.「形態(morphology)」という語は、生成された金属カーバイドにおける炭素系反応物質のサイズ及び形状を記載するのに用いられる。
2.「TEM(Transmission Electron Microscopy)」は、形態を描写するために用いられる。
3.「XRD(X-Ray Diffraction)」は、結晶の構造と相を規定するために用いられる。
4.「STEMEDS、EDS(Electron Diffraction Spectroscopy)」は、微小元素分析に用いられる。
発明者らの実験プロセスにおいて、発明者らは、カーボンコア上に金属カーバイドコーティングが得られるものと考えている。以下に説明するように、予期され得なかった結果として、全体が金属カーバイドからなり、カーボン前駆物質の形態が保持されたコンポジション(composition)が得られたのは注目されるべきである。
<発明の概要>
本発明は、ワンステップのプロセスにより、金属カーバイドを合成する方法を提供するもので、各種金属(例えば、Si、Ti、W、Hf、Zr、V、Cr、Ta、B、Nb、Al、Mn、Ni、Fe、Co及びMoであり、これらに限定されるものではない)の酸化物を、球状(20nm)又は繊維状(60nm)のナノ構造カーボン前駆物質と物理的に混合し、900〜1900℃の温度まで誘導加熱することにより、金属酸化物をカーボンと反応させて、異なる金属カーバイドを生成するものである。このプロセスでは、得られた金属カーバイドの中でカーボン前駆物質は元の形態が維持される。得られたナノサイズの金属カーバイド製品は、高結晶性である。これら粒子の多くは、金属カーバイドの単結晶である。このプロセスでは、金属カーバイドへの転換率は80%よりも高く、残部は転換されていない過剰カーボンである。
本発明は、ワンステップのプロセスにより、金属カーバイドを合成する方法を提供するもので、各種金属(例えば、Si、Ti、W、Hf、Zr、V、Cr、Ta、B、Nb、Al、Mn、Ni、Fe、Co及びMoであり、これらに限定されるものではない)の酸化物を、球状(20nm)又は繊維状(60nm)のナノ構造カーボン前駆物質と物理的に混合し、900〜1900℃の温度まで誘導加熱することにより、金属酸化物をカーボンと反応させて、異なる金属カーバイドを生成するものである。このプロセスでは、得られた金属カーバイドの中でカーボン前駆物質は元の形態が維持される。得られたナノサイズの金属カーバイド製品は、高結晶性である。これら粒子の多くは、金属カーバイドの単結晶である。このプロセスでは、金属カーバイドへの転換率は80%よりも高く、残部は転換されていない過剰カーボンである。
他の実施例では、ナノ構造のSiC(及びその他カーバイド)が、アルミニウム及びその他合金における不連続補強材(discontinuous reinforcement)として用いられる。その際、ナノ構造のSiCは、ナノサイズの球状カーバイドであり、応力集中を最小にする。また、枝分かれした(branched)ナノサイズのカーバイド粒(aggregates)の形状は、中強度又は高強度のカーボンブラック粒と同じであり、クラック経路の曲がりを大きくして、クラックをトラップする。
それゆえ、本発明の主たる目的は、高結晶性でフィラメント状のナノサイズ金属カーバイドを作ることである。
本発明のさらなる目的は、得られた金属カーバイドの中でカーボン前駆物質の形態が保持されるナノサイズ金属カーバイドを作ることである。
本発明のさらなる目的は、誘導加熱工程により、金属カーバイドを作るプロセスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、MOxを金属カーバイドに完全に転換させることであり、この完全な転換は、EDSによりOが存在しないこと、及び、XRDにより他のいかなる相も存在しないことによって確認される。
本発明のさらなる目的は、半連続的プロセス又は連続的プロセスにより、金属カーバイドを作ることである。
本発明のさらなる目的は、これまでの金属カーバイドが適用されたところではどこにでも使用可能な金属カーバイドを提供することである。
本発明のさらなる目的は、水素化触媒の貴金属の代替になり得る金属カーバイドを提供することである。
本発明のさらなる目的は、ナノサイズのフィラメント状カーバイドを提供することであり、サイズの問題で従来の金属カーバイドでは使用できなかった特定のナノサイズの用途に用いられることができる。
本発明のさらなる目的は、得られた金属カーバイドの中でカーボン前駆物質の形態が保持されるナノサイズ金属カーバイドを作ることである。
本発明のさらなる目的は、誘導加熱工程により、金属カーバイドを作るプロセスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、MOxを金属カーバイドに完全に転換させることであり、この完全な転換は、EDSによりOが存在しないこと、及び、XRDにより他のいかなる相も存在しないことによって確認される。
本発明のさらなる目的は、半連続的プロセス又は連続的プロセスにより、金属カーバイドを作ることである。
本発明のさらなる目的は、これまでの金属カーバイドが適用されたところではどこにでも使用可能な金属カーバイドを提供することである。
本発明のさらなる目的は、水素化触媒の貴金属の代替になり得る金属カーバイドを提供することである。
本発明のさらなる目的は、ナノサイズのフィラメント状カーバイドを提供することであり、サイズの問題で従来の金属カーバイドでは使用できなかった特定のナノサイズの用途に用いられることができる。
本発明のさらなる目的は、限定するものではないが、高温の熱電装置、量子井戸、光電子装置、半導体、防護服(body armour)、装甲車(vehicle armour)、触媒、不連続補強剤(discontinuos reinforcement agents)、構造補強材等の用途に用いられる金属カーバイドを提供することであり、耐摩耗性を向上させ、耐食性をもたらし、高温安定性を向上させ、放射線抵抗性をもたらし、熱伝導性を向上させるものである。
本発明のさらなる目的は、アルミニウム及びその他合金に不連続補強剤を存在させることにより、応力集中が最小の金属カーバイド製品、及び、枝別れしたナノサイズのカーボン粒によりクラック経路の曲がりを増やしてクラックをトラップすることのできる金属カーバイド製品を提供することである。
本発明のさらなる目的は、アルミニウム及びその他合金に不連続補強剤を存在させることにより、応力集中が最小の金属カーバイド製品、及び、枝別れしたナノサイズのカーボン粒によりクラック経路の曲がりを増やしてクラックをトラップすることのできる金属カーバイド製品を提供することである。
<好ましい実施例の詳細な説明>
カーボン材料から金属カーバイドの生成をワンステップで行なうプロセスを、図1〜図11及び表1を参照して説明する。前述したように、本発明は、金属カーバイドの中でも、例えば、シリコンカーバイド、チタンカーバイド及びモリブデンカーバイドの合成方法に関するものである。このプロセスは、ワンステップで行われ、各種金属(例えば、Si、Ti、W、Hf、Zr、V、Cr、Ta、B、Nb、Al、Mn、Ni、Fe、Co、Mo)の酸化物が、球状又はフィラメント状の異なるナノ構造カーボンと物理的に混合される。球状カーボンの粒径は、8〜200nmの範囲であり、フィラメント状カーボンの直径は、1〜200nmの範囲である。混合物は誘導加熱により、900〜1900℃の間の温度に加熱され、金属酸化物はカーボンと反応して、金属カーバイドが生成される。このプロセスを用いて得られた金属カーバイドでは、カーボン前駆物質の元の形態が維持される。得られたカーバイドは、高結晶性である。このプロセスでは、金属カーバイドへの転換率は80%よりも高く、残部は転換されていない過剰カーボンである。
カーボン材料から金属カーバイドの生成をワンステップで行なうプロセスを、図1〜図11及び表1を参照して説明する。前述したように、本発明は、金属カーバイドの中でも、例えば、シリコンカーバイド、チタンカーバイド及びモリブデンカーバイドの合成方法に関するものである。このプロセスは、ワンステップで行われ、各種金属(例えば、Si、Ti、W、Hf、Zr、V、Cr、Ta、B、Nb、Al、Mn、Ni、Fe、Co、Mo)の酸化物が、球状又はフィラメント状の異なるナノ構造カーボンと物理的に混合される。球状カーボンの粒径は、8〜200nmの範囲であり、フィラメント状カーボンの直径は、1〜200nmの範囲である。混合物は誘導加熱により、900〜1900℃の間の温度に加熱され、金属酸化物はカーボンと反応して、金属カーバイドが生成される。このプロセスを用いて得られた金属カーバイドでは、カーボン前駆物質の元の形態が維持される。得られたカーバイドは、高結晶性である。このプロセスでは、金属カーバイドへの転換率は80%よりも高く、残部は転換されていない過剰カーボンである。
次に示す実施例は、シリコン酸化物とナノカーボン前駆物質の化合例(実施例1)、チタン酸化物とナノカーボン前駆物質の化合例(実施例2)、モリブデン酸化物とナノカーボン前駆物質の化合例(実施例3)、硼素酸化物とナノカーボン前駆物質の化合例(実施例4)である。
<実験1>
SiO2 +3C− → SiC + 2CO
二酸化珪素10gと、前駆物質としてのナノカーボン6gを使用し、炭化珪素粉末を合成した。SiO2粉末は、平均粒径約40nm、比表面積5m2/gである。カーボン源は、カーボンブラック(CDX975、253m2/g、平均粒径21nm)又はフィラメント状ナノカーボン(68.5m2/g、平均粒径70nm)を用いた。最初に、カーボン源と二酸化珪素がよく混ざるまで、へら又はボールミルを使って物理的に混合した。その混合物を黒鉛るつぼの中に入れて、次に、内部に誘導コイルが配備された石英容器の中に装入した。石英容器は、1SLM流量のArガスでパージした。30分間パージを行なった後、黒鉛るつぼの温度を30分間以上かけて1400℃まで上昇させ、所定温度に保持した。保持時間は15分より短い。次に、Arを流しながら、黒鉛るつぼを冷却した。得られた試料をXRDパターンで調べたところ、生成した粉末粒子は、六方晶単相(hexagonal single phase)の炭化珪素粒子であった。透過電子顕微鏡で観察すると、カーボンブラック由来生成物の粒子サイズは20〜100nmであった。一方、フィラメント状ナノカーボンは完全に炭化珪素に転換されており、その炭化珪素の形態は、カーボン前駆物質と一致する。生成した炭化珪素の熱重量分析(残留カーボンを除去する)を行なったところ、約95%の転換が確認された。STEMEDSにより、炭化珪素粒子の純度は非常に高いことが確認された。
SiO2 +3C− → SiC + 2CO
二酸化珪素10gと、前駆物質としてのナノカーボン6gを使用し、炭化珪素粉末を合成した。SiO2粉末は、平均粒径約40nm、比表面積5m2/gである。カーボン源は、カーボンブラック(CDX975、253m2/g、平均粒径21nm)又はフィラメント状ナノカーボン(68.5m2/g、平均粒径70nm)を用いた。最初に、カーボン源と二酸化珪素がよく混ざるまで、へら又はボールミルを使って物理的に混合した。その混合物を黒鉛るつぼの中に入れて、次に、内部に誘導コイルが配備された石英容器の中に装入した。石英容器は、1SLM流量のArガスでパージした。30分間パージを行なった後、黒鉛るつぼの温度を30分間以上かけて1400℃まで上昇させ、所定温度に保持した。保持時間は15分より短い。次に、Arを流しながら、黒鉛るつぼを冷却した。得られた試料をXRDパターンで調べたところ、生成した粉末粒子は、六方晶単相(hexagonal single phase)の炭化珪素粒子であった。透過電子顕微鏡で観察すると、カーボンブラック由来生成物の粒子サイズは20〜100nmであった。一方、フィラメント状ナノカーボンは完全に炭化珪素に転換されており、その炭化珪素の形態は、カーボン前駆物質と一致する。生成した炭化珪素の熱重量分析(残留カーボンを除去する)を行なったところ、約95%の転換が確認された。STEMEDSにより、炭化珪素粒子の純度は非常に高いことが確認された。
<実験2>
TiO2 + 3C− → TiC + 2CO
二酸化チタン13.33gと、前駆物質としてのナノカーボン6gを使用し、炭化チタン粉末を合成した。TiO2粉末は、平均粒径約32nm、比表面積45m2/gである。カーボン源は、カーボンブラック(CDX975、253m2/g、平均粒径21nm)又はフィラメント状ナノカーボン(68.5m2/g、平均粒径70nm)を用いた。最初に、カーボン源と二酸化チタンがよく混ざるまで、へら又はボールミルを使って物理的に混合した。その混合物を黒鉛るつぼの中に入れて、次に、内部に誘導コイルが配備された石英容器の中に装入した。石英容器は、1SLM流量のArガスでパージした。30分間パージを行なった後、黒鉛るつぼの温度を30分以上かけて1400℃まで上昇させ、所定温度に保持した。保持時間は15分より短い。次に、Arを流しながら、黒鉛るつぼを冷却した。得られた試料をXRDパターンで調べたところ、生成された粉末粒子は、立方晶単相(cubic single phase)の炭化チタン粒子であった。透過電子顕微鏡で観察すると、カーボンブラック由来生成物の粒子サイズは20〜100nmであった。一方、フィラメント状ナノカーボンは完全に炭化チタンに転換されており、その炭化チタンの形態は、カーボン前駆物質と一致する。STEMEDSにより、炭化チタン粒子の純度は非常に高いことが確認された。
TiO2 + 3C− → TiC + 2CO
二酸化チタン13.33gと、前駆物質としてのナノカーボン6gを使用し、炭化チタン粉末を合成した。TiO2粉末は、平均粒径約32nm、比表面積45m2/gである。カーボン源は、カーボンブラック(CDX975、253m2/g、平均粒径21nm)又はフィラメント状ナノカーボン(68.5m2/g、平均粒径70nm)を用いた。最初に、カーボン源と二酸化チタンがよく混ざるまで、へら又はボールミルを使って物理的に混合した。その混合物を黒鉛るつぼの中に入れて、次に、内部に誘導コイルが配備された石英容器の中に装入した。石英容器は、1SLM流量のArガスでパージした。30分間パージを行なった後、黒鉛るつぼの温度を30分以上かけて1400℃まで上昇させ、所定温度に保持した。保持時間は15分より短い。次に、Arを流しながら、黒鉛るつぼを冷却した。得られた試料をXRDパターンで調べたところ、生成された粉末粒子は、立方晶単相(cubic single phase)の炭化チタン粒子であった。透過電子顕微鏡で観察すると、カーボンブラック由来生成物の粒子サイズは20〜100nmであった。一方、フィラメント状ナノカーボンは完全に炭化チタンに転換されており、その炭化チタンの形態は、カーボン前駆物質と一致する。STEMEDSにより、炭化チタン粒子の純度は非常に高いことが確認された。
<実験3>
Mo2O3 + 4C− → Mo2C + 3CO
二酸化モリブデン24gと、前駆物質としてのナノカーボン6gを使用し、炭化モリブデン粉末を合成した。Mo2O3粉末は、平均粒径約20〜40nm、比表面積48m2/gである。カーボン源は、カーボンブラック(CDX975、253m2/g、平均粒径21nm)又はフィラメント状ナノカーボン(68.5m2/g、平均粒径70nm)を用いた。最初に、カーボン源とモリブデン酸化物がよく混ざるまで、へら又はボールミルを使って物理的に混合した。その混合物を黒鉛るつぼの中に入れて、次に、内部に誘導コイルが配備された石英容器の中に装入した。石英容器は、1SLM流量のArガスでパージした。30分間パージを行なった後、黒鉛るつぼの温度を30分以上かけて1350℃まで上昇させ、所定温度に保持した。保持時間は15分より短い。次に、Arを流しながら、黒鉛るつぼを冷却した。得られた試料をXRDパターンで調べたところ、生成された粉末粒子は、六方晶単相の炭化モリブデン粒子であった。透過電子顕微鏡で観察すると、カーボンブラック由来生成物の粒子サイズは20〜100nmであった。一方、フィラメント状ナノカーボンは完全に炭化モリブデンに転換されており、その炭化モリブデンの形態は、カーボン前駆物質と一致する。STEMEDSにより、炭化モリブデン粒子の純度は非常に高いことが確認された。
Mo2O3 + 4C− → Mo2C + 3CO
二酸化モリブデン24gと、前駆物質としてのナノカーボン6gを使用し、炭化モリブデン粉末を合成した。Mo2O3粉末は、平均粒径約20〜40nm、比表面積48m2/gである。カーボン源は、カーボンブラック(CDX975、253m2/g、平均粒径21nm)又はフィラメント状ナノカーボン(68.5m2/g、平均粒径70nm)を用いた。最初に、カーボン源とモリブデン酸化物がよく混ざるまで、へら又はボールミルを使って物理的に混合した。その混合物を黒鉛るつぼの中に入れて、次に、内部に誘導コイルが配備された石英容器の中に装入した。石英容器は、1SLM流量のArガスでパージした。30分間パージを行なった後、黒鉛るつぼの温度を30分以上かけて1350℃まで上昇させ、所定温度に保持した。保持時間は15分より短い。次に、Arを流しながら、黒鉛るつぼを冷却した。得られた試料をXRDパターンで調べたところ、生成された粉末粒子は、六方晶単相の炭化モリブデン粒子であった。透過電子顕微鏡で観察すると、カーボンブラック由来生成物の粒子サイズは20〜100nmであった。一方、フィラメント状ナノカーボンは完全に炭化モリブデンに転換されており、その炭化モリブデンの形態は、カーボン前駆物質と一致する。STEMEDSにより、炭化モリブデン粒子の純度は非常に高いことが確認された。
<実験4>
2B2O3 + 7C− → B4C + 6CO
酸化硼素14gと、前駆物質としてのナノカーボン8.4gを使用し、炭化硼素粉末を合成した。B2O3粉末は、平均粒径約40nm、比表面積5m2/gである。カーボン源は、カーボンブラック(CDX975、253m2/g、平均粒径21nm)又はフィラメント状ナノカーボン(68.5m2/g、平均粒径70nm)を用いた。最初に、カーボン源と酸化硼素がよく混ざるまで、へら又はボールミルを使って物理的に混合した。その混合物を黒鉛るつぼの中に入れて、次に、内部に誘導コイルが配備された石英容器の中に装入した。石英容器は、1SLM流量のArガスでパージした。30分間パージを行なった後、黒鉛るつぼの温度を30分間以上かけて1300℃まで上昇させ、所定温度に保持した。保持時間は15分より短い。次に、Arを流しながら、黒鉛るつぼを冷却した。得られた試料をXRDパターンで調べたところ、生成された粉末粒子は、六方晶単相の炭化硼素粒子であった。透過電子顕微鏡で観察すると、カーボンブラック由来生成物の粒子サイズは20〜100nmであった。一方、フィラメント状ナノカーボンは完全に炭化硼素に転換されており、その炭化硼素の形態は、カーボン前駆物質と一致する。
2B2O3 + 7C− → B4C + 6CO
酸化硼素14gと、前駆物質としてのナノカーボン8.4gを使用し、炭化硼素粉末を合成した。B2O3粉末は、平均粒径約40nm、比表面積5m2/gである。カーボン源は、カーボンブラック(CDX975、253m2/g、平均粒径21nm)又はフィラメント状ナノカーボン(68.5m2/g、平均粒径70nm)を用いた。最初に、カーボン源と酸化硼素がよく混ざるまで、へら又はボールミルを使って物理的に混合した。その混合物を黒鉛るつぼの中に入れて、次に、内部に誘導コイルが配備された石英容器の中に装入した。石英容器は、1SLM流量のArガスでパージした。30分間パージを行なった後、黒鉛るつぼの温度を30分間以上かけて1300℃まで上昇させ、所定温度に保持した。保持時間は15分より短い。次に、Arを流しながら、黒鉛るつぼを冷却した。得られた試料をXRDパターンで調べたところ、生成された粉末粒子は、六方晶単相の炭化硼素粒子であった。透過電子顕微鏡で観察すると、カーボンブラック由来生成物の粒子サイズは20〜100nmであった。一方、フィラメント状ナノカーボンは完全に炭化硼素に転換されており、その炭化硼素の形態は、カーボン前駆物質と一致する。
次に図1乃至図11及び表1を参照すると、図1は、本発明に関する化学反応及び反応条件を示している。
xC + MyO(x-1) → MYC + (x−1)CO
ここで、Mは、Si、B、Ta、Zr、Cr、V、W、Hf、Ti及びMoからなる群から選択されるが、これらに限定されるものではない。この反応では、金属酸化物とナノカーボンの均一混合物を900℃〜1900℃に誘導加熱し、不活性ガスを流した状態で、その温度で1〜30分間保持する必要がある。
xC + MyO(x-1) → MYC + (x−1)CO
ここで、Mは、Si、B、Ta、Zr、Cr、V、W、Hf、Ti及びMoからなる群から選択されるが、これらに限定されるものではない。この反応では、金属酸化物とナノカーボンの均一混合物を900℃〜1900℃に誘導加熱し、不活性ガスを流した状態で、その温度で1〜30分間保持する必要がある。
図1に示す金属カーバイドの生成方法について、図2はバッチ法、図3は半連続的方法を示している。図2に示された装置は、実験1〜4で使用されたものである。
図2は、バッチモードで実施した金属カーバイドの実験プロセスを模式的に示したものである。図2を参照すると、アルゴンガスは矢印(12)の如く石英製反応器(14)に入る。石英製反応器(14)は、産業上一般的に知られているタイプのもので、黒鉛るつぼ(16)が収容され、誘導コイル(18)に取り囲まれている。金属酸化物とカーボンの混合物(20)は、黒鉛るつぼ(16)の中に入れられる。混合物は、誘導コイル(18)により、900〜1900℃の温度に加熱される。アルゴンガスは、矢印(22)の如く排出され、得られた金属カーバイドは、るつぼ(16)の中にあり、後で集められる。
図2は、バッチモードで実施した金属カーバイドの実験プロセスを模式的に示したものである。図2を参照すると、アルゴンガスは矢印(12)の如く石英製反応器(14)に入る。石英製反応器(14)は、産業上一般的に知られているタイプのもので、黒鉛るつぼ(16)が収容され、誘導コイル(18)に取り囲まれている。金属酸化物とカーボンの混合物(20)は、黒鉛るつぼ(16)の中に入れられる。混合物は、誘導コイル(18)により、900〜1900℃の温度に加熱される。アルゴンガスは、矢印(22)の如く排出され、得られた金属カーバイドは、るつぼ(16)の中にあり、後で集められる。
図3は、金属カーバイドの生成方法について、半連続的方法又は連続的方法を模式的に説明する図である。図示の如く、金属カーバイド粉末は、石英製反応器(14)を用いて、半連続的に合成されることができる。石英製反応器(14)は黒鉛るつぼ(16)を含んでおり、該るつぼの中に金属酸化物とカーボンの混合物(20)が入れられる。図2と同じように、石英製反応器(14)には、混合物を加熱するための誘導コイル(18)が周囲を取り囲んでいる。しかし、図3に示される半連続的方法では、フィーダ(30)が配備されており、該フィーダには、予め混合された金属酸化物とカーボン前駆物質(31)が入れられている。金属酸化物とカーボン源(31)の混合物が入れられたフィーダ(30)にはアルゴンガス(矢印(12))が導入されており、混合物は、空気圧で黒鉛るつぼ(16)に運ばれる。黒鉛るつぼ(16)の中で、混合物は、誘導コイル(18)によって所望温度の900〜1900℃まで加熱され、所望温度で1〜30分間保持される。捕集器(34)が配備されており、得られた金属カーバイドは、るつぼ(16)から真空ライン(35)を通って捕集器(34)に運ばれる。石英製反応器は、1SLM流量のアルゴンガス(12)でパージされる。このプロセスは繰り返して行われることができ、反応器系を開けることなく、金属カーバイドが半連続的に生成される。
図4乃至図9は透過顕微鏡写真であり、図4及び図6は、実験1〜4に使用されたカーボン反応物質、図5及び図7乃至図9は、実験1〜4で生成したカーバイド製品の形態を示している。
図4は、前述の実験で前駆物質として使用されたナノカーボンブラックの形態のTEM像である。このカーボンブラックは、CDX−975(コロンビア ケミカルズカンパニー製)で、平均粒径は21nmである。
図5は、図4に示すカーボンブラックを用いて生成された実験4の炭化硼素(B4C)のTEM像である。
図6は、実験1〜4で前駆物質として使用されたカーボンナノファイバーのTEM像である。このカーボンナノファイバーは、窒素表面積が68m2/g及び平均繊維径が70nmである。
図7は、図6に示すカーボンナノファイバーを用いて生成された実験3の炭化モリブデンファイバーのTEM像である。ファイバー表面にMo2C結晶が付着していることに注目されるべきである。
図8は、図6に示すカーボンブラックを用いて生成された実験1のSiCファイバーのTEM像である。STEM/EDAX分析結果では、酸素の残留は全く認められなかった。これは、炭化物に完全に転換したことを表すものである。
図9は、図6に示すカーボンブラックを用いて生成された実験2のTiCファイバーのTEM像である。STEM/EDAX分析結果では、酸素の残留は全く認められなかった。これは、炭化物に完全に転換したことを表すものである。
図4は、前述の実験で前駆物質として使用されたナノカーボンブラックの形態のTEM像である。このカーボンブラックは、CDX−975(コロンビア ケミカルズカンパニー製)で、平均粒径は21nmである。
図5は、図4に示すカーボンブラックを用いて生成された実験4の炭化硼素(B4C)のTEM像である。
図6は、実験1〜4で前駆物質として使用されたカーボンナノファイバーのTEM像である。このカーボンナノファイバーは、窒素表面積が68m2/g及び平均繊維径が70nmである。
図7は、図6に示すカーボンナノファイバーを用いて生成された実験3の炭化モリブデンファイバーのTEM像である。ファイバー表面にMo2C結晶が付着していることに注目されるべきである。
図8は、図6に示すカーボンブラックを用いて生成された実験1のSiCファイバーのTEM像である。STEM/EDAX分析結果では、酸素の残留は全く認められなかった。これは、炭化物に完全に転換したことを表すものである。
図9は、図6に示すカーボンブラックを用いて生成された実験2のTiCファイバーのTEM像である。STEM/EDAX分析結果では、酸素の残留は全く認められなかった。これは、炭化物に完全に転換したことを表すものである。
実験1乃至4の試料について、“XRDスペクトルのメジャー相とマイナー相の同定”というXRD分析を実施した。3種類の試料(A−31077,A−31078,A−31079)は、カーボンブラック(CDX975,A027276)に由来する種類の異なる金属カーバイドである。また、試料(A−31080,A31081及びA31082)は、カーボンナノファイバー(試料A−30887)に由来する金属カーバイドである。カーボンブラック由来の金属カーバイドのXRDスペクトルは、図10に示されている。一方、ファイバー由来のXRDスペクトルは図11に示されている。ピークが一致しており、これは、2種類の出発物質から生成されるカーバイド相に差異がないことを示している。図10及び図11のXRDスペクトルの結果について、メジャー(主要)成分とマイナー成分のリスティングを表1に示している。これらの結果は、開始物質から夫々のカーバイドへ略完全に転換されたことを示している。
前述の実施例は単なる例示であって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定される。
Claims (32)
- 金属酸化物とナノカーボン前駆物質とを反応させて得られた金属カーバイドコンポジション。
- 金属酸化物は、Si、Ti、W、Hf、Zr、V、Cr、Ta、B、Nb、Al、Mn、Ni、Fe、Co及びMoの金属酸化物からなる群から選択される請求項1のコンポジション。
- ナノカーボンは、球状又は繊維状のナノ構造カーボンである請求項1のコンポジション。
- 球状カーボンの粒径は、8〜200nmの範囲である請求項3のコンポジション。
- フィラメント状カーボンの粒径は、1〜200nmの範囲である請求項3のコンポジション。
- 金属酸化物とナノカーボン前駆物質は、900〜1900℃の温度範囲に誘導加熱される請求項1のコンポジション。
- 金属酸化物とナノカーボンの加熱は、誘導炉の中で行われる請求項6のコンポジション。
- 金属酸化物と、フィラメント状又は球状のナノカーボン前駆物質とを、900〜1900℃の誘導炉の中で反応させて得られた金属カーバイドコンポジション。
- 得られた金属カーバイドは、高結晶性のフィラメント状ナノ金属カーバイドである請求項8のコンポジション。
- 金属カーバイドへの転換はほぼ完全に行われる請求項8のコンポジション。
- ナノ金属カーバイドは、カーボン前記物質のサイズと形態を実質的に維持する請求項8のコンポジション。
- 金属酸化物は、Si、Ti、W、Hf、Zr、V、Cr、Ta、B、Nb、Al、Mn、Ni、Fe、Co及びMoの金属酸化物からなる群から選択される請求項8のコンポジション。
- 金属酸化物をカーボン前駆物質と混合するステップ、得られた混合物を誘導炉の中で加熱するステップにより金属カーバイドを生成する方法であって、得られる金属酸化物は、酸素を残存させることなく、MOxから完全に転換される方法。
- 金属酸化物とナノカーボン前駆物質は、900〜1900℃の温度範囲に誘導加熱される請求項13の方法。
- 連続的プロセスにより行われる請求項13の方法。
- 金属カーバイドを生成する方法であって、
(a) 金属酸化物を供給するステップ、
(b) 前記金属酸化物をナノカーボン前駆物質と混合するステップ、
(c) 得られた混合物を、誘導炉の中で、900〜1900℃の温度で加熱するステップ、
(d) 加熱中、不活性ガスを混合物に導入するステップ、
(e) 加熱サイクルの終わりに、得られた金属カーバイドを集めるステップ、
(f) ステップ(a)乃至(e)を連続的プロセスとして繰り返すステップ、
を含んでいる方法。 - 金属カーバイドを生成する方法であって、
(a) 金属酸化物を供給するステップ、
(b) 前記金属酸化物をナノカーボン前駆物質と混合するステップ、
(c) 得られた混合物を、誘導炉の中で、900〜1900℃の温度で30分未満の時間、加熱するステップ、
(d) 加熱中、不活性ガスを混合物に導入するステップ、
(e) 加熱サイクルの終わりに、得られた金属カーバイドを集めるステップ、
(f) ステップ(a)乃至(e)を連続的プロセスとして繰り返すステップ、
を含んでいる方法。 - 得られた金属カーバイドは、高温熱電装置に適用される請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、量子井戸に適用される請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、光電子装置に適用される請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、半導体に適用される請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、防護具(armour)に適用される請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、触媒に適用される請求項17の方法。
- 触媒は、水素化触媒、脱水素触媒、改質触媒、脱窒素触媒及び脱硫触媒を含んでいる請求項23の方法。
- 得られた金属カーバイドは、不連続補強剤に適用される請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、構造補強材に適用される請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、耐摩耗性を向上させるために用いられる請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、耐食性をもたらすために用いられる請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、高温安定性を向上させるために用いられる請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、放射線抵抗性をもたらすために用いられる請求項17の方法。
- 得られた金属カーバイドは、熱伝導性を向上させるために用いられる請求項17の方法。
- 実質的に記載され開示された発明。
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---|---|---|---|
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