JP2014523385A - カーボンナノチューブ用レセプタ−触媒成長工程 - Google Patents

Abstract

基材を酸化性ガスに暴露し、基材上にシード材料を蒸着して基材表面上に触媒用レセプターを形成し、基材表面上のレセプタを触媒蒸気に暴露することによりシード材料上に触媒を蒸着し、基材に対してカーボン含有ガス中において化学気相蒸着を行い、基材上にカーボンナノ材料を成長させる基材上のカーボンナノ材料の成長方法。

Description

本発明は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ及びウィスカーのようなカーボンナノ材料の成長方法に関するものである。

アーク放電、プラズマ気相蒸着（ＰＶＤ）及び化学気相蒸着（ＣＶＤ）を含む、カーボンナノチューブ及び他のカーボンナノ材料を基材上で成長させる多くの技術が知られている。しかしながら、現在用いられている技術の多くは、いくつかの限定を有している。例えば、カーボンナノチューブ成長は基材依存工程であるため、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのような金属触媒の使用は、基材上の拡散が早すぎ、大きな粒子に融合するような電位を有し、大きな金属粒子の形成を誘導し、その結果カーボンナノチューブ成長のための触媒粒子密度及び電位を低減する。また、ナノ材料の蒸着工程において、カーボン基材の表面上に一旦蒸着されると、これらの触媒は基材からカーボンを引き抜き、これにより得られる製品を脆弱化する。

本発明は、カーボンナノ材料の成長及び密度を制御するためにカーボンナノ材料の成長の前に基材表面が活性化された様々な基材上に、ナノチューブ、ナノファイバ及びフィスカーのようなカーボン材料を成長する方法を提供する。本方法は、基材上の触媒金属の拡散速度を制御し、ニッケル、鉄及びコバルト触媒又は遷移金属触媒又はこれらの組み合わせの使用を含んでもよい。

ここに記載された工程の一実施形態は、基材上にカーボンナノチューブを連続的に成長させることができる。基材材料は、ガス相カーボン源が導入される反応チャンバのホットゾーンを通して機械的に運ばれる。基材材料は、結晶用レセプタ又はトラップとして用いられるナノスケールシード粒子を溶液から予め蒸着される。結晶性ナノ粒子は、反応チャンバのホットゾーン内のガス相に導入され、レセプタ部位に蒸着する。

本発明の一態様によれば、基材上のカーボンナノ材料の成長方法は、基材を用意する工程と、基材表面の少なくとも一部を酸化性ガスに曝す工程と、触媒用レセプタを形成するために基材表面にシード材料を蒸着する工程と、基材を触媒の蒸気に曝すことにより基材表面上に触媒を形成する工程と、カーボンナノ材料の成長を促進するためにカーボン含有蒸気の存在下基材表面に化学気相蒸着を施す工程とを備える。カーボンナノ材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ及びカーボンウィスカー又はその組み合わせを含む。カーボンナノ材料の成長のタイプは、例えば、温度、化学気体蒸着に用いられるガス、基材のタイプ等の方法パラメータにより決定される。

基材は、連続的又は非連続的なカーボンファイバ、グラファイト、金属、合金、ガラス、繊維ガラス、セラミック又は金属間化合物のファブリック、バンドル又はマットから選択されることが好ましい。基材がカーボンを含む実施形態においては、カーボン基材は、カーボンファイバ、カーボンナノファイバ、カーボンフィルム、カーボンフォーム、カーボンファブリック及びカーボンファイババンドルから選択される。さらに特別な実施形態においては、基材は、連続的又は非連続的なカーボンファイバ、ガラス、並びに、織布及び不織布並びに織マット及び不織マットを含むセラミックファブリックからなる一群から選択される。

一実施形態においては、基材表面は酸化性ガスを用いて活性化される。酸化性ガスは、オゾン、二酸化炭素及びこれらの混合物から選択される。基材は約１００℃から９００℃の温度の酸化性ガスに曝される。酸化性ガスがオゾンを含む場合、基材は約１００℃から約２００℃の温度で曝される。酸化性ガスが二酸化炭素を含む場合、基材は約４００℃から約９００℃の温度で曝される。処理は、ファイバ表面の劣化を防ぐよう適合される。実施形態においては、低温表面処理は、オゾン発生機を通して空気を通過することによって発生されたオゾン含有空気の流れの中でカーボンファブリックが約１５０℃で１０分間加熱される工程で用いられる。他の実施形態においては、高温表面処理は、強制的な空気の流れの中でカーボンファブリックが約４００〜５５０℃で約２〜６０分間加熱される工程で用いられる。

触媒が固定される最適表面トポグラフィーを達成するために、表面酸化／活性化の後に、さらなる表面操作が望まれる。本発明によると、触媒用レセプタ部位を得るために、金属、金属酸化物及び他の金属含有化合物のシードナノ粒子がファイバ表面上に用いられる。レセプタ材料の例としては、アルミニウム、モリブデン及びタングステンの酸化物、窒化物及び硫化物並びにこれらの混合物が含まれる。特別な実施形態においては、シード材料はアルミニウム酸化物である。基材は、シード材料の溶液中で処理され、室温で風乾又は加熱により乾燥される。基材を乾燥する際に、レセプタが基材表面上で形成され、触媒の取り込み及びカーボンナノ材料の成長に適する。

これらのレセプタは基材表面上で触媒を捕らえる。これらは、基材中のカーボンを基材から抽出し、気体蒸着条件下で形成されたカーボンナノ材料中に含まれことを防ぐ又は阻止する。このようなカーボン抽出物は基材の完全性を弱める。

一態様においては、ファイバ表面は、溶媒（例えばエタノール、アセトン、プロパノール、ベンゼン、ヘプタン、トルエン、キシレン等又はこれらの混合物）中に溶解されたアルミニウム化合物又は複合体からなる反応溶液中に浸漬される。この反応の結果、表面レセプタが形成される。この反応は本質的に遅い（例えば、ある場合には反応時間は２４時間超である）。他の実施形態においては、接着性を向上し、酸化アルミナの固定を促進するために、窒化鉄（０〜０．１％）が用いられるが、窒化系溶液は必要ではない。酸化アルミナ単独でも窒化鉄のような鉄添加剤との組み合わせでも続くカーボン蒸着工程において触媒として作用しないことに注意することは重要である。所望のカーボンナノ材料の構造が得られる量のレセプタがファイバ表面上に蒸着されるように、レセプタ溶液濃度及び処理が設計される。特に、ファイバ表面上のナノ材料の構造及び分布は、ファイバ上のレセプタのトポグラフィー、表面密度、間隔又は分布とともに変化する。例えば、ナノチューブを製造するためには、２０ｎｍ以下の表面粗さとして表現された表面トポグラフィーが適切である。ナノファイバを製造するためには、１２０ｎｍの表面粗さとして表現された表面トポグラフィーが適切である。

シード粒子が蒸着され、レセプタ部位が基材表面上に形成された後に、触媒が蒸着される。触媒には鉄、ニッケル、コバルト等が含まれる。レセプタ表面被覆と同様、レセプタ部位上の触媒の量及び分布はナノ材料の構造及び分布に影響を及ぼす。少量の触媒は大量の触媒よりも長いナノチューブの成長を必要とする。

本発明の一実施形態は反応チャンバへのガス相触媒ナノ粒子の導入を用いる。ガス相から得られる触媒は、フェロセン、コバルトセン、ニッケロセン、クロムアセチルアセトネート、モリブデンアセチルアセトネート又はこれらの組み合わせのような有機金属前駆体の蒸発から得られる。この蒸発は、約２５℃から４００℃、好ましくは１００℃から２５０℃の温度の反応チャンバの外側に配置され、加熱された独立容器内で行われる。触媒前駆体は、乾燥粉末状態で加熱された容器内に導入又は溶媒中に溶解される。乾燥粉末の場合には、定量粉末フィーダにより容器内に連続的に運ばれ、容器内部のガスに変換される。溶解された前駆体の場合には、有機溶媒（エタノール、アセトン、プロパノール、ベンゼン、ヘプタン、トルエン、キシレン及びこれらの組み合わせ）中に溶解し、ペリスタポンプを用いて加熱された容器内に液体を注入することにより粉末材料が調製される。両方の場合、触媒はガス状態で反応チャンバに運ばれる。触媒前駆体の濃度は、基材及び所望のカーボンナノ材料パラメータに基づいて０．１％から２０％の間で変化してもよい。

ナノ材料を成長させる化学気体蒸着は他の従来の様式で行われてもよい。一実施形態においては、気体蒸着は約６００℃から約９００℃の温度で行われ、アセチレン、エチレン又はエタンのような炭化水素ガスあるいは油、石炭、バイオマスのような炭素含有前駆体等を用いる。

本発明の一実施形態においては、この方法は、約１００ｎｍから約３０ミクロンの厚さを有するカーボンナノチューブをその表面上に含む基材を提供する。

本発明の方法は、複合加工の間にナノ材料の分散又は拡散の以前の問題を処理する。処理された基材上でカーボンナノ材料を成長させることにより、複合成形加工の間にナノ複合浸漬に関して予め生じる問題は減少又は排除される。また、カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料から形成された複合体の層間剪断及び熱伝導度を向上する。ここに開示された方法により形成されたカーボンナノ材料は、ＥＭＩ遮蔽用途、接触熱抵抗用途及びウルトラキャパシタに用いられてもよい。

したがって、本発明の一態様の目的は、得られる材料の成長及び密度を制御できる様々な基材上のカーボンナノ材料の成長方法を提供することである。また、他の態様及び利点は、以下の記載、付属の図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

ファブリック前駆体が左の反応チャンバに入れられ、炉を通過して運ばれ、ファブリックが右の炉を出る、本発明の一実施形態の連続成長工程の概念図である。

蒸発させ、小さな開口部を通してファブリック前駆体上にスプレイする炉内に触媒粉末が送られるガスマニホールド及びマッフルシステムの斜視図である。

本発明の方法において成長されたカーボンナノチューブには、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ及びウィスカが含まれる。形成されたナノチューブは、一般的に多層ナノチューブであるが、カーボンナノファイバ及びクオーツのような基材を用いた多層及び単層カーボンナノチューブの組み合わせを形成してもよい。成長されたカーボンナノチューブのタイプは、一般的に触媒金属のタイプ、温度、気体蒸着に用いられるガス、基材のタイプ等のような方法パラメータにより決定される。ある場合においては、カーボン基材の使用、ニッケル触媒、大気圧下約６００℃での化学気相蒸着、及び、カーボン源としてのアセチレンの使用は、カーボンナノファイバを形成する。他の場合においては、鉄及び鉄−モリブデン二元金属触媒、約７８０℃での化学気相蒸着、及び、カーボン源としてのエチレンは、多層カーボンナノチューブを形成する。鉄触媒を有するカーボン又は他のタイプの基材を用い、かつ、カーボン源としてメタンを用いた約１０００℃〜１１００℃の化学気相蒸着を行った場合、カーボンウィスカが形成される。

本発明に用いる好適な基材としては、これに限定されるものではないが、カーボン、グラファイト、金属、金属合金、セラミック、ガラス、ファイバガラス、及び、金属間化合物が含まれる。カーボン基材の例示としては、（ＰＡＮ及びメソフェーズ系カーボンファイバを含む）ファイバ、ナノファイバ、フィルム、フォーム、ファブリック、及び、ファイババンドルが含まれる。グラファイト基材の例示としては、グラファイトファイバ、フォイル、プレート、及び、ロッドが含まれる。金属基材の例示としては、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン等が含まれる。好適な合金基材としては、ステンレス鋼、アルミニウム合金及びチタン合金が含まれる。基材として用いられる好適な金属間化合物としては、ＴｉＡｌ、ＦｅＡｌ、Ｆｅ_３Ａｌ、ＮｉＡｌ、Ｎｉ_３Ａｌ等が含まれる。基材としてファイバガラス材料が用いられる場合、従来のファイバガラスは勿論のこと、既に触媒が表面に含まれたガラスファイバ材料（ＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇ社から購入可能）を用いてもよい。

本発明の方法においては、カーボンナノ材料が成長される基材表面は基材を含むチャンバ又は容器内に酸化性ガスを導入することにより調製される。酸化性ガスはオゾン又は二酸化炭素を含んでもよい。基材上のファイバサイジング、有機残渣及び不純物は通常カーボンナノチューブの成長に悪影響を及ぼし、成長の阻害、遅延又は障害を引き起こす。これらの有機物質を取り除くために基材は前処理を行う。この前処理には、約１００〜２００℃の比較的低温のオゾン含有空気を基材を通して流す工程、又は、約３００〜５５０℃の比較的高温の空気を流しつつ加熱する工程を含む。各基材及び用途に応じて表面状態が適宜調整される。前処理は所望の温度に保持された炉を通して基材を運ぶことにより連続して行われることが好ましい。また、前処理は、表面エネルギー及び濡れ性を改良する表面粗さを形成することにより、触媒シード粒子の塗工を有利にする。

基材表面が調製された後、上記のようにシード材料が基材表面上に蒸着される。

一実施形態においては、金属配管、一般的にはステンレス鋼は触媒蒸気を移すために用いられる。配管温度は１００〜４００℃、好ましくは１５０〜３００℃で保持される。これは、デジタル温度コントローラにより正確に温度が制御できるように、ヒートテープで配管を包み、配管とヒートテープの間に熱電対を挿入することにより達成されてもよい。不十分な温度は触媒前駆体蒸気の凝結を招き、一方、過熱は炉の反応チャンバに入れる蒸気をその前に配管内で分解させ、カーボンナノチューブの成長に不適切又は成長が不十分となる。反応ゾーンへの触媒蒸気の導入は大きな温度勾配を引き起こす。一実施形態においては、触媒蒸気の導入までの温度は、触媒蒸気の早期の分解を避けるために、約３００℃以下とすべきである。周辺領域は、６００℃以上、好ましくは７００〜８００℃の温度とすべきである。触媒蒸気を送る配管が過熱するのを避けるために、能動的冷却のための空冷管が配送管に連結される。

基材表面上のレセプターにおける触媒の分解後に、基材に対して約６００℃〜９００℃の温度範囲及び１気圧で化学気相蒸着を行う。化学気相蒸着は、カーボンナノ材料の成長を促進するアセチレン、エチレン及びメタンのような炭化水素ガスを含む様々な気相カーボン源の使用を含む。この成長は約３〜１５分の範囲の反応時間のモニターにより制御される。

一実施形態においては、触媒ガス温度勾配がカーボンナノチューブの連続的な成長に重要であることが知られている。一実施形態によれば、上質なカーボンナノチューブを連続的に成長させるために、ガス組成及びガス勾配がモニターされ、制御される。低温でのカーボン源の触媒分解は、早すぎるため、非晶質カーボンのようなカーボン不純物及びカーボン粒子の析出又は不完全なカーボンナノチューブを生じる。また、反応チャンバ内のガス流方向における気体カーボン源の触媒分解及びカーボンナノチューブへの変換に起因して、反応チャンバ内のガス組成は、一般的なカーボン源ガス濃度の低下とともに不可避的に変更され、反応生成物（すなわち水素）濃度が増加する。ガス組成の変化は、触媒活性の低減、触媒粒子の汚染、低効率カーボン変換及び成長と同様に、非晶質カーボンを含むことによりカーボンナノチューブの成長に影響を及ぼす。上記悪影響を除去又は低減するためには、分離された個々の流路における反応チャンバ内にガスを導入する。適切な温度が保持され、触媒蒸気が送られる一つのガス流路は、基材が反応ゾーンに運ばれるまでカーボン源ガス及び触媒蒸気との接触から予め蒸着されたシードを遮蔽する主に窒素のような不活性ガスからなる。カーボン源ガスは触媒蒸気との反応ゾーン又は他の分離流路に導入される。一般的にカーボン源は、アセチレン、エチレン、メタン、エタン等を含む炭化水素ガス及び／又はベンゼン、ヘプタン、トルエン、キシレン等を含む蒸発された有機溶剤である。

カーボンナノチューブの成長は、得られるカーボンナノチューブが約１００ｎｍ〜３０ミクロンの厚さ及び約６〜１０Ｗ／ｍＫの導電性を有するように適合される。

成長炉の詳細
一実施形態においては、成長炉は一つのゾーン制御を有するあつらえの箱炉である。炉は２０８Ｖ単相出力で操作され、一般的に５００〜９００℃の温度が成長に用いられるが、最高温度１０００℃を有する。ホットゾーンは長さ３６インチ、幅１６インチである。炉は、合金マッフルがホットゾーンを通過し得るようにそれを通過する縦長のスロットを備える。このスロットには、幅１６インチ、高さ４インチまでのマッフルを炉に設置することができる。炉の上下部は、合金マッフルを取り付け又は取り外しするために炉を開き得るようにヒンジ式に連結される。

炉はモジュール式のアルミニウム押し出しフレーム上に設置される。このフレームは、全ての部品が載置されるベースとして機能する。全ての入口端及び出口端部品はこのフレームに載置される。フレームは、変更又は改良を工程に適応するように迅速に変化し得るモジュールである。フレーム全体は、保守又は調整のために容易に移動できるようにホイール上にある。

Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）合金マッフルはおおよそ長さ４８インチ、幅１６インチ及び高さ４インチである。Ｉｎｃｏｎｅｌは、炉内の浸炭雰囲気に耐えるとともに高温における構造的整合性を維持するために必要である。マッフルは、不活性雰囲気を維持し、大気中の酸素から材料を保護するための耐ガスバリアとして作用する。マッフルは炉の各端部から拡張し、マッフルの入口及び出口のガスマニホールド部に取り付けられる。マッフルの各端部は端部にガスマニホールドを固定し得る溶接フランジを備える。接続部は圧縮グラファイトガスケット材で密閉される。

マッフルとガスマニホールドとの各接続部はそこに挿入されたスロットプレートを備える。このプレートは、炉の異なる部分の分離を助け、出口端で炉に大気が入ることを防ぐための狭い開口を有するワイドスロットを備える。スロットは、炉内で過度に弛まないように材料を支持するのを助ける。これらのスロットプレートは、ステンレス鋼から構成されるように炉の温度よりもかなり低い温度である。

入口ガスマニホールドはマッフルの入口端に固定される。マニホールドはマニホールドの内側の洗浄又は保守のために取り除ける上下プレートを備える。これらのプレートのそれぞれは原料ガスをマッフルに送り得る８つのガス接続ポートを備える。プレートはボルトでマニホールドに取り付けられ、グラファイトガスケットで密閉される。

上下プレートはそれらに配管されたスパージャーパイプを備える。これらのパイプはそこに空けられた小孔の配列を有するＵ型ステンレス鋼チューブからなる。チューブの長さは、炉のホットゾーンの端部で小孔がマッフル内部に配置され、これらの小孔からのガス流がマッフルの側面と平行になるように設定される。この配置は、炉を通して材料の上下面に均一にガスを配送するガス流のカーテンをマッフルの中心線の上及びマッフルの中心線の下に提供する。

孔に対向するスパージャーパイプの裏側は孔を有さない他のＵ型パイプに溶接される。そこに冷たい窒素ガスを流してスパージャーパイプを冷却するためにこの第２のパイプが用いられる。スパージャーパイプの温度を制御するためにガス流を調整することができる。スパージャーパイプの両端及び冷却パイプの両端は、ガスマニホールドの外側のガス供給システムに取り付けられるように上下プレートから突出している。プレートには不活性ガス用接続部も含まれる。

入口ガスマニホールドの入口端は耐ガスアクリルボックスに連結される。不活性にするために、このボックスは窒素でパージすることができる。ボックスにはひと巻きのファブリック材料が保持できる回転軸が含まれる。回転軸は不活性雰囲気を維持しつつ炉内材料をほどくことができる。ボックス上の蓋は炉の動作中に容易に取り除ける。

マッフルの出口端には、入口ガスマニホールドと同じガスマニホールドが設置されている。このマニホールドは、スパージャーパイプを備えておらず、空気から反応領域を遮蔽するための不活性ガスをマッフルの端部に導入するためにだけ用いられる。出口ガスマニホールドは、炉内の開口サイズを小さくするためにスロットプレートを両端に備える。これは、少量の不活性ガス流により内部雰囲気を不活性のままにすることを保証する。この不活性ガスは、炉を出る前に低爆発限界未満となるように、反応ガスを希釈するためにも作用する。

工程で求められる全てのガスは炉近傍のガス貯蔵ラック内に保存される。各ガスは圧力調整され、ガス制御パネルに供給される。ガス制御パネルは、全てのガスのマニュアルオン／オフ制御、処理ガスのデジタル質量流量制御、及び、不活性ガスパージ制御のマニュアル体積流量制御を提供する。システムには３つの不活性ガス回路がある。第１はボックスパージであり、これは炉を作動する前に窒素のアクリルボックスをパージするために用いられる。第２は入口ガスマニホールドに導入される不活性ガスである。このガスは、反応ガスを適切な濃度に希釈するのに有用である。第３回路は出口ガスマニホールドに連結されている。この回路はマッフル外の空気を保持するために用いられる。

４つのデジタル質量流量コントローラがある。各コントローラは異なるガスを制御するように設定される。流量コントローラの出口は連結され、ガス混合物が均一となるように混合チューブを流れる。ガス混合物は入口ガスマニホールドの上部まで１つのチューブを流れる。ガス混合物は、触媒蒸気と組み合わせ、触媒蒸気とともにスパージャーパイプに流す加熱されたガラス容器に流れる。

液相触媒はデジタルペリスタポンプを用いてガラス容器に注入される。これは触媒液体の正確な計量を提供する。容器内の高温は触媒を蒸発させ、蒸気はスパージャーパイプを通して炉内に運ばれる。加熱された容器及びスパージャーパイプ間の全ての配管は、触媒蒸気の温度を保持するためにヒートテープで包まれている。加熱されたチューブを用いないと、触媒はチューブの壁上に凝結され、炉内に運べないであろう。

加熱された容器は、適切な温度を得るために独立して制御される下部ヒーター及び側面ヒーターを備える。容器からスパージャーパイプまでのチューブ上には、それぞれコントローラを有する３つ以上に分離されたヒーターがある。確実にガスマニホールドの壁上で触媒蒸気を凝結させないために、入口ガスマニホールド上には、ガスマニホールドの温度を維持する４つ以上のヒーターがある。９つの温度コントローラ全ては制御パネル内に取り付けられている。

出口ガスマニホールドの出口端には、巻き戻しスプールを取り付けるための回転軸を備えたアクリルボックスがある。この回転軸は可変周波数駆動装置により制御されたＡＣモータによって駆動される。この駆動装置は、炉を通過する材料の直線速度を制御するためにモータの速度を調整する。材料の速度を一定に保つために、補助エンコーダが出口の材料上に配置され、駆動装置が自動的にモータ速度を調整するようにフィードバックとして用いられる。

巻き戻し回転軸は炉の前後に傾斜させるように設置されている。この動きは、材料がスプールの直線部分に巻き付けるように、レーザセンサと組み合わせて自動的に巻き戻しスプールの追従を調整することができる循環式ループ直線アクチュエータで制御される。この機能性のコントローラは、ＡＣモータコントローラの制御を有するパネル内に設置されている。

ガス、温度及び動作の全ての制御は、全制御システムが組み合わされるように共通ラックに載置されている。これは１つの位置から全ての処理パラメータをモニタ又は制御する動作を可能とする。このラックは、炉のいずれかの部分の保守又は調整のために容易に移動できるようにキャスタ上にある。

本発明は以下の限定されない実施例によりさらに詳細に説明される。

カーボンファイバの表面を活性化するために、ＣｙｔｅｃＦｉｂｅｒｉｔｅ社製の商品名Ｔ６５０−３５ ８ハーネスサテン織りのカーボンファイバマットを４５０℃の温度で２５分間酸化性ガスに暴露した。この活性化マットを、１０００ｍｌの２−プロパノール溶媒に２８ｇのアルミニウムイソプロポキシドを溶解した２５℃の溶液中に７２時間浸漬した。ファイバの表面上にアルミニウムレセプタを蒸着するために、マットの水気を切り、２５℃で乾燥させた。７５０℃に加熱されたチャンバ内にマットを連続的に導入した。キシレン溶媒１ｌに対して４３ｇの濃度のフェロセン蒸気を１８０℃で作製し、２．２５ｍｌ／ｍｉｎの流速で７５０℃に加熱されたチャンバ内に導入した。カーボンファイバの表面のアルミニウムレセプタ上に蒸着された鉄触媒を備えたマットを製造するために、ファイバマットを直接触媒蒸気に暴露した。このように処理されたマットに対して、カーボンナノチューブを成長させるために、７５０℃の３００ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per minute）の濃度のアセチレンガス、４０００ｓｃｃｍの水素及び１０ｌ／ｍｉｎの窒素にマットを１０分間暴露することにより化学気相蒸着を行った。マットの分析によりナノチューブは１０〜２０ｎｍの直径及び約１０〜２００ｍｍの長さを有することが示された。

詳細に及びその好適な実施形態を参照して記載された本発明は、以下の特許請求の範囲に定義されたように発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて改良及び変更が可能であることは明らかである。

Claims (16)

1. 表面を有する基材を用意する工程と、
   基材表面の少なくとも一部を酸化ガスに曝す工程と、
   触媒用レセプタを形成するために基材表面にシード材料を蒸着する工程と、
   基材表面上のレセプタを触媒の蒸気に曝すことによりシード材料上に触媒を蒸着する工程と、
   カーボンナノ材料の成長を引き起こすためにカーボン含有ガス中において基材表面上の触媒に化学気相蒸着を施す工程とを備えることを特徴とする基材上のカーボンナノ材料の成長方法。
2. 前記基材は、カーボン、グラファイト、金属、金属合金、セラミック、ガラス、ファイバガラス、セラミック及び金属間化合物から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記基材は、金属、金属合金、金属間化合物又はグラファイトからなる一群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記基材は、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、カーボンフィルム、カーボンフォーム、カーボンファブリック及びカーボンファイババンドルから選択されたカーボン基材から選択されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記シード材料は、前記シード材料の溶液で前記基材を処理することにより前記基材上に蒸着されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 触媒は、前記レセプタを運ぶ前記基材を触媒含有蒸気に暴露することにより前記レセプタ上に形成されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記酸化性ガスは、オゾン、二酸化炭素及びこれらの混合物から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記基材は、約１００℃及び５５０℃の前記酸化性ガスに暴露されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記酸化性ガスはオゾンを含み、前記基材は約１００〜２００℃の前記ガスに暴露されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記酸化性ガスは大気を含み、前記基材は約３００〜５５０℃の前記ガスに暴露されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記化学気相蒸着は約６００〜９００℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記化学気相蒸着は、アセチレン、エチレン、メタン、他の前駆体含有カーボン及びこれらの組み合わせから選択された炭化水素ガスを用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記触媒蒸気は、触媒が蒸発する温度のリアクタ内に水又はアルコール及び可溶性塩を含む触媒溶液を導入することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記可溶性塩は、鉄、ニッケル、コバルト及びこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 請求項１に記載の方法により形成された、その表面上にカーボンナノ材料を含む基材。
16. 前記カーボンナノ材料は、約１００ｎｍ〜約３０ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１５に記載の基材。

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