JP2015171968A - Formation method of graphene-graphite film or composite film of nanocarbon and graphene-graphite - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a formation method of a graphene-graphite film having mass-productivity and high quality, and at the same time having a low production cost and thick film thickness, or a composite film of nanocarbon and graphene-graphite.SOLUTION: An alloy including a typical element metal and a transition metal is brought into contact with a carbon source, carbon on the surface of the carbon source is dissolved in the alloy by heating the alloy, and a graphene-graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene-graphite are deposited on the surface of the object brought into contact with the alloy by cooling the alloy.

Description

本発明は、グラフェン・グラファイト膜またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜の形成方法に関する。   The present invention relates to a method of forming a graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite.

炭素材料は、sp混成軌道を持つ炭素からなるダイヤモンド、sp混成軌道を持つ炭素からなるグラファイト(黒鉛)、sp混成軌道を持つ炭素からなるカルビン(ポリイン)などの同素体とその複合系から構成される極めて多様な材料である。近年では、sp炭素系のナノダイヤモンド、sp炭素系のフラーレン、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、グラフェン、酸化グラフェン等のナノカーボンが新規炭素材料として名を連ねている。 The carbon material is composed of an allotrope such as diamond composed of carbon having sp 3 hybrid orbitals, graphite (graphite) composed of carbon having sp 2 hybrid orbitals, and calbin (polyyne) composed of carbon having sp hybrid orbitals, and a composite system thereof. Is an extremely diverse material. In recent years, nanocarbons such as sp 3 carbon-based nanodiamonds, sp 2 carbon-based fullerenes, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, carbon nanohorns, graphene, and graphene oxide have been named as new carbon materials.

これらの炭素材料の中で、産業上、比較的古くから用いられ、最も大規模で広範な用途を持つのは、ガラス状炭素、炭素繊維、炭素繊維強化炭素複合材料などの主にsp系炭素材料である。これらsp系炭素材料は、比重が通常金属より小さいため軽く、モース硬度は7と比較的高いことからかなりの硬度を持ち、化学的に安定で、生体に不活性、熱に強く約1000℃を越える高温まで実用的な強度を保ち、繰り返しの使用に耐えるという特長を持つ。 Among these carbon materials, it has been used for a relatively long time in industry, and the largest and most widely used is mainly sp 2 system such as glassy carbon, carbon fiber, carbon fiber reinforced carbon composite material, etc. It is a carbon material. These sp 2 -based carbon materials are light because the specific gravity is usually smaller than that of metals, and have a relatively high Mohs hardness of 7, so that they have a considerable hardness, are chemically stable, are inert to living organisms, and are resistant to heat at about 1000 ° C. It has the features of maintaining practical strength up to a high temperature exceeding 1, and withstanding repeated use.

しかしながら、現状のsp系炭素材料は、既存製法上の制約のため、グラファイト化が本質的に不完全である。それらの表面は数ナノメートルから数マイクロメートルの多数の結晶粒界で覆われ、また1つ1つの結晶は原子欠損などの多数の欠陥構造を有する。これらの結晶粒界や欠陥構造は、空気摩擦やスパッタリングなどの物理的侵食や、酸化などの化学的腐食の起点となり得る。そのため、完全結晶のグラファイト表面と比較して、多数の結晶粒界や欠陥構造が存在するsp系炭素材料の表面は耐摩耗性、耐酸化性に著しく劣るという問題がある。また、sp系炭素材料の表面の構造的不完全性に起因して、sp系炭素材料のガスバリア性能が限定的になってしまう問題点もある。更に、上記の問題点に起因して、既存技術で製造されるsp系炭素材料からなる製品を過酷な条件で使用する場合、それらの寿命が必要とされるよりも短いという問題点が指摘されている。 However, the current sp 2 carbon material is essentially incompletely graphitized due to limitations in existing manufacturing methods. Their surfaces are covered with a large number of grain boundaries of several nanometers to several micrometers, and each crystal has a large number of defect structures such as atomic defects. These grain boundaries and defect structures can be the starting point for physical erosion such as air friction and sputtering, and chemical corrosion such as oxidation. For this reason, the surface of the sp 2 -based carbon material having a large number of grain boundaries and defect structures is significantly inferior in wear resistance and oxidation resistance as compared with a completely crystalline graphite surface. Moreover, due to structural imperfections of the surface of the sp 2 carbon material, the gas barrier performance of the sp 2 carbon material is also a problem that becomes limiting. Furthermore, due to the above-mentioned problems, it is pointed out that when products made of sp 2 carbon material manufactured by existing technology are used under severe conditions, their lifetime is shorter than required. Has been.

近年の技術の発展に伴い、上記問題点を軽減する目的で、sp系炭素材料の表面を被膜する方法がいくつか実用化されている。例えば、表面処理した炭化ケイ素(SiC)層で被覆する技術が特許3228489号(特許文献1)に開示されている。また、CVD(Chemical Vapor Deposition、化学気相蒸着)法により、sp系炭素材料の表面にグラファイト被覆を施す技術も開示されている。例えば、炭素繊維強化炭素複合材料から作製されるるつぼ表面を熱分解炭素で強化する被覆技術が特開2000−351689(特許文献2)に開示される他、特開2003−18076(特許文献3)にはsp系炭素材料のガスバリア性向上のための熱CVD由来の炭素による被覆技術が開示されている。 With the development of technology in recent years, several methods for coating the surface of the sp 2 -based carbon material have been put into practical use for the purpose of reducing the above problems. For example, Japanese Patent No. 3228489 (Patent Document 1) discloses a technique for coating with a surface-treated silicon carbide (SiC) layer. Also disclosed is a technique of applying a graphite coating on the surface of an sp 2 carbon material by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. For example, JP-A-2000-351689 (Patent Document 2) discloses a coating technique for reinforcing a crucible surface produced from a carbon fiber-reinforced carbon composite material with pyrolytic carbon, and JP-A-2003-18076 (Patent Document 3). Discloses a coating technique with carbon derived from thermal CVD for improving the gas barrier property of sp 2 carbon material.

さらに、ガリウムを利用することでグラフェン膜を炭素材料上や絶縁体基板上に作製する方法が報告されている。例えば、ガリウムとアモルファス炭素界面にグラフェン膜を作製する技術が特許第4970619号公報(特許文献4)に開示されている。また、PCT/JP2011/075883(特許文献5)とPCT/JP2011/077879(特許文献6)には、それぞれ、炭化物、絶縁体の表面にグラフェン膜を直接形成する技術が開示されている。特許文献5、6の技術によれば、高品質グラフェンを様々な材料表面上に製膜可能であることから、デバイス作製用のグラフェン基板を実現出来るとされる。   Furthermore, a method for producing a graphene film on a carbon material or an insulator substrate by using gallium has been reported. For example, Japanese Patent No. 4970619 (Patent Document 4) discloses a technique for producing a graphene film at an interface between gallium and amorphous carbon. PCT / JP2011 / 075883 (Patent Document 5) and PCT / JP2011 / 0777879 (Patent Document 6) each disclose a technique of directly forming a graphene film on the surface of a carbide and an insulator. According to the techniques of Patent Documents 5 and 6, since high-quality graphene can be formed on various material surfaces, a graphene substrate for device fabrication can be realized.

特許第3228489号公報 (第3−4頁、図3)Japanese Patent No. 3228489 (page 3-4, FIG. 3) 特開2000−351689公報 (第2−4頁)JP 2000-351689 A (page 2-4) 特開2003−183076公報 (第2−3頁)JP 2003-183076 A (page 2-3) 特許第4970619号公報 (第3−4頁、図4)Japanese Patent No. 4970619 (page 3-4, FIG. 4) WO2012/060468公報(第6頁、図1)WO2012 / 060468 (6th page, FIG. 1) WO2012/086387公報 (第6頁、図1)WO2012 / 086387 (6th page, FIG. 1)

しかしながら、この特許文献1〜6に開示された被覆技術にはいくつかの問題がある。   However, the coating techniques disclosed in Patent Documents 1 to 6 have several problems.

第1に、特許文献1に開示されるSiC層によるsp系炭素材料の被覆においては、第1に、sp系炭素材料の導電性が消失するという問題がある。この原因はSiCがワイドギャップ半導体であり、電気的に半絶縁性であることに起因する。この点はsp系炭素材料を電極として利用する際には致命的な欠点となる。 First, the coating of the sp 2 carbon material with the SiC layer disclosed in Patent Document 1 has a problem that the conductivity of the sp 2 carbon material is lost. This is because SiC is a wide gap semiconductor and is electrically semi-insulating. This is a fatal defect when using the sp 2 carbon material as an electrode.

第2に、特許文献2においては、sp系炭素材料表面への熱分解炭素による被覆に、メタンガスを原料として、最低でも50時間という長時間、成長温度が1800℃という高温条件下でのCVD処理が必要である。従って、この技術は装置コストや材料コストが嵩むという問題点を生じさせ、省資源・省エネルギーの観点から問題が多い。また、炭化水素が原料のCVD法では、銅やニッケルなどの金属触媒がないとグラファイト化が進行しないことが一般的に知られている。すなわち、特許文献2に開示される熱分解炭素被膜は材料的には結晶性のグラファイトではなく、アモルファス炭素である。従って、この被覆技術では耐摩耗性、耐酸化性を期待することは出来ない。 Second, in Patent Document 2, CVD is performed on the surface of the sp 2 -based carbon material with pyrolytic carbon using methane gas as a raw material for a long time of at least 50 hours and a growth temperature of 1800 ° C. Processing is required. Therefore, this technique causes the problem that the apparatus cost and the material cost increase, and there are many problems from the viewpoint of resource saving and energy saving. Further, it is generally known that in the CVD method using hydrocarbon as a raw material, graphitization does not proceed without a metal catalyst such as copper or nickel. That is, the pyrolytic carbon film disclosed in Patent Document 2 is not carbonaceous crystalline but amorphous carbon. Therefore, it is impossible to expect wear resistance and oxidation resistance by this coating technique.

第3に、特許文献3においては、被覆のために、1200℃以上という高温、原料として炭化水素ガス、キャリアーガスとして水素ガス、更に塩化水素ガスを流入させるという過酷な条件でのCVDが必要とされる。また、被覆層の最終的なグラファイト化には2000〜3000℃の高温が必要とされる。従って、特許文献2における問題点と同様、この技術は装置コストや材料コストが嵩むという問題点を生じ、省資源・省エネルギーの観点から問題が多い。さらに、水素や塩化水素など危険ガスの使用は健康面、環境面への悪影響が懸念される。   Third, Patent Document 3 requires CVD under severe conditions such as high temperature of 1200 ° C. or higher, hydrocarbon gas as a raw material, hydrogen gas as a carrier gas, and hydrogen chloride gas inflow for coating. Is done. Moreover, high temperature of 2000-3000 degreeC is required for final graphitization of a coating layer. Therefore, like the problem in Patent Document 2, this technique causes a problem that the apparatus cost and the material cost increase, and there are many problems from the viewpoint of resource saving and energy saving. In addition, the use of dangerous gases such as hydrogen and hydrogen chloride is likely to have adverse health and environmental impacts.

第4に、特許文献4の問題点は、ガリウムとアモルファス炭素との間の界面に数層程度のグラフェン膜、すなわち、膜厚が高々数ナノメートルの極薄グラファイト膜しか製膜することが出来ないことである。この問題点は、特許文献4ではガリウムとアモルファス炭素間の界面反応を利用しているため、アモルファス炭素の極表層のみしかグラフェンに変換出来ないことに起因する。従って、100層以上の厚膜グラフェン膜、すなわち、膜厚が数十ナノメートル以上のグラファイト膜による被覆は不可能である。   Fourth, the problem of Patent Document 4 is that only a few layers of graphene film, that is, an ultrathin graphite film having a thickness of several nanometers at the maximum can be formed at the interface between gallium and amorphous carbon. It is not. This problem is caused by the fact that only the extreme surface layer of amorphous carbon can be converted into graphene because Patent Document 4 uses an interfacial reaction between gallium and amorphous carbon. Therefore, it is impossible to cover with a graphene film having 100 or more layers, that is, a graphite film having a film thickness of several tens of nanometers or more.

第5に、特許文献5、6に開示されるグラフェン製膜技術では、グラファイト膜の膜厚は100nmを超えることは原理上困難であるという問題点がある。この問題点は、特許文献5、6のグラフェン製膜技術が、加熱時に原料である炭素材料を液体ガリウムに溶解させ、冷却時に液体ガリウム中に溶解した炭素を目的の材料表面に析出させる液相成長法を原理としているが、ガリウムへの炭素の溶解度が900℃という高温でも僅か30 atomic ppm(原子百万分率)であるという炭素溶解度が極端に低いことに起因する。そもそも、特許文献5、6では、ガリウムの炭素溶解度が無視できるほど小さい特性を積極的に利用することがグラフェン製膜の技術的要諦である。なぜなら、過剰な炭素は極薄グラフェン膜の形成を阻害するからである。従って、特許文献5、6のグラフェン作製技術は、デバイス用高品質グラフェン基板を提供することには適するが、丈夫で厚膜の高品質グラファイト膜を提供することには不向きである。   Fifth, the graphene film forming techniques disclosed in Patent Documents 5 and 6 have a problem that it is difficult in principle that the film thickness of the graphite film exceeds 100 nm. This problem is caused by the liquid phase in which the graphene film forming technique of Patent Documents 5 and 6 dissolves a carbon material as a raw material in liquid gallium at the time of heating, and deposits carbon dissolved in the liquid gallium at the time of cooling on the target material surface. Although it is based on the growth method, the solubility of carbon in gallium is only 30 atomic ppm (parts per million atomic) even at a high temperature of 900 ° C., which is due to extremely low carbon solubility. In the first place, in Patent Documents 5 and 6, it is a technical point of graphene film formation that positively utilizes such characteristics that the carbon solubility of gallium is negligible. This is because excess carbon inhibits the formation of an ultrathin graphene film. Therefore, the graphene production techniques of Patent Documents 5 and 6 are suitable for providing a high-quality graphene substrate for devices, but are not suitable for providing a strong and thick high-quality graphite film.

第6に、上記特許文献1〜6に開示される、どの技術をもってしても、被覆対象物上にナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜を形成することは出来ない問題がある。この問題点は、ナノカーボンとグラフェン・グラファイトを炭素−炭素の共有結合を介して融合することが既存方法では不可能なことに起因する。   Sixth, there is a problem that a composite film of nanocarbon and graphene / graphite cannot be formed on the object to be coated with any of the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 6. This problem is caused by the fact that it is impossible to fuse nanocarbon and graphene / graphite via a carbon-carbon covalent bond with existing methods.

以上のように、特許文献1〜6の被覆技術には様々な問題点がある。特に、上述の技術では、sp系炭素材料表面の被覆層において、グラファイト構造による完全結晶化と厚膜化を同時に達成することは至難の業であり、また、共有結合を介して連結したナノカーボンとグラフェン・グラファイト複合化膜を形成することは不可能である。従って、以上の問題を解決する手段が望まれてきた。 As described above, the coating techniques of Patent Documents 1 to 6 have various problems. In particular, in the above-described technique, it is extremely difficult to simultaneously achieve complete crystallization and thickening due to the graphite structure in the coating layer on the surface of the sp 2 -based carbon material. It is impossible to form a composite film of carbon and graphene / graphite. Therefore, a means for solving the above problems has been desired.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、量産性があり、高品質であると同時に、製造コストが低く、膜厚の厚いグラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜で被覆された対象物、及びその製造方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a mass-produced and high-quality graphene / graphite film having a low production cost and a large film thickness, or nanocarbon and graphene It is an object of the present invention to provide an object coated with a composite film of graphite and a method for manufacturing the same.

本発明は、(a)典型元素金属と遷移金属を含む合金を炭素源に接触させ、前記合金を加熱することで、前記合金中に前記炭素源の表面の炭素を溶解させ、
(b)前記合金を冷却することで、前記合金に接触させた対象物の表面にグラフェン・グラファイト膜またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜を析出させる、
ことを特徴とするグラフェン・グラファイト膜またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜の形成方法である。
In the present invention, (a) an alloy containing a typical element metal and a transition metal is brought into contact with a carbon source, and the alloy is heated to dissolve carbon on the surface of the carbon source in the alloy,
(B) By cooling the alloy, a graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite is deposited on the surface of an object in contact with the alloy.
This is a method for forming a graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite.

本発明によれば、量産性があり、高品質であると同時に、製造コストが低く、膜厚の厚いグラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜で材料表面を被覆する製造方法を提供することが可能である。   According to the present invention, mass production, high quality, low production cost, and low-cost production of a graphene / graphite film with a large film thickness or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite are used to coat the material surface. It is possible to provide a method.

本発明で用いられる液相成長法によるグラフェン・グラファイト膜形成の原理を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the principle of the graphene graphite film formation by the liquid phase growth method used by this invention. 典型元素金属(ガリウム)と遷移金属(ニッケル)中の炭素溶解度曲線を表す図である。It is a figure showing the carbon solubility curve in a typical element metal (gallium) and a transition metal (nickel). ガリウム・鉄合金フラックスが有効に働く比率領域と温度領域の関係を示すガリウム−鉄2元系状態図である。It is a gallium-iron binary system phase diagram showing the relationship between the ratio region where the gallium-iron alloy flux works effectively and the temperature region. ガリウム・コバルト合金フラックスが有効に働く比率領域と温度領域の関係を示すガリウム−コバルト2元系状態図である。It is a gallium-cobalt binary phase diagram showing the relationship between the ratio region where the gallium-cobalt alloy flux works effectively and the temperature region. 典型元素金属(ガリウム)・遷移金属(ニッケル)合金フラックスが有効に働く比率領域と温度領域の関係を示す典型元素金属(ガリウム)−遷移金属(ニッケル)2元系状態図である。FIG. 5 is a typical element metal (gallium) -transition metal (nickel) binary phase diagram showing a relationship between a ratio region where a typical element metal (gallium) / transition metal (nickel) alloy flux effectively works and a temperature region. 本実施例の製造方法の工程を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the process of the manufacturing method of a present Example. ガリウム単体、鋼鉄(SUS304)単体をフラックスとして用いる液相成長法を適用した炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope image of the carbon fiber reinforced carbon composite material to which the liquid phase growth method using a gallium simple substance and steel (SUS304) simple substance as a flux was applied. 典型元素金属(ガリウム)・遷移金属(ニッケル)合金フラックスが有効に働く比率の下限を説明するグラフェン・グラファイト膜被覆炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope image of the graphene * graphite film covering carbon fiber reinforced carbon composite material explaining the minimum of the ratio which a typical element metal (gallium) and transition metal (nickel) alloy flux works effectively. ガリウム・鉄合金フラックスが有効に働く比率の上限を説明するグラフェン・グラファイト膜被覆炭素繊維強化炭素複合材料および炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope image of the graphene * graphite film covering carbon fiber reinforced carbon composite material and carbon fiber reinforced carbon composite material explaining the upper limit of the ratio which a gallium and iron alloy flux works effectively. ガリウム・コバルト合金フラックスが有効に働く比率の上限を説明するグラフェン・グラファイト膜被覆炭素繊維強化炭素複合材料および炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope image of the graphene * graphite film coating | cover carbon fiber reinforced carbon composite material and carbon fiber reinforced carbon composite material explaining the upper limit of the ratio which a gallium-cobalt alloy flux works effectively. 典型元素金属(ガリウム)・遷移金属(ニッケル)合金フラックスが有効に働く比率の上限を説明するグラフェン・グラファイト膜被覆炭素繊維強化炭素複合材料および炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像を示す図である。It is the figure which shows the optical microscope image of the graphene-graphite film coating carbon fiber reinforced carbon composite and carbon fiber reinforced carbon composite explaining the upper limit of the ratio at which the typical element metal (gallium) / transition metal (nickel) alloy flux works effectively is there. 各種ナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜で被覆された炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope image of the carbon fiber reinforced carbon composite material coat | covered with the composite film of various nanocarbon and a graphene graphite. 単層ナノチューブカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜で被覆された各種耐熱材料の光学顕微鏡像を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope image of various heat-resistant materials coat | covered with the composite film of the single-walled nanotube carbon and graphene graphite.

(構成の説明)
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
(Description of configuration)
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to a following example, In the range which does not deviate from the meaning of this invention, it can change arbitrarily and can implement.

最初に、本実施形態で用いる原理について説明する。   First, the principle used in this embodiment will be described.

本実施形態ではグラフェン化またはグラファイト化の液相成長において、典型元素金属と遷移金属を含む合金フラックスを利用する。
合金化により、添加した遷移金属が炭素溶解度を高めると伴に、添加した典型元素金属が合金フラックスと被覆対象物との固着を防止しつつ、遷移金属炭化物の形成を抑制することで、膜厚が例えば100nm以上という、グラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜の厚膜化が可能となる。
In the present embodiment, an alloy flux containing a typical element metal and a transition metal is used in the liquid phase growth of graphenization or graphitization.
By alloying, the added transition metal increases the carbon solubility, and the added typical element metal prevents the alloy flux and the object to be coated from sticking, while suppressing the formation of transition metal carbide, thereby reducing the film thickness. For example, it is possible to increase the thickness of a graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite, such as 100 nm or more.

図1は、本発明の実施の形態として、目的の材料表面をグラフェン・グラファイト膜で被覆する製造方法の原理を示す斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view showing the principle of a manufacturing method for covering a target material surface with a graphene / graphite film as an embodiment of the present invention.

本発明ではグラフェン・グラファイトを成長させる手段として、液相成長法を利用する。液相成長法の原理は、加熱により、炭素材料を一旦、フラックス(高温用溶媒)として使用する金属中に炭素として溶解させ、次いで、冷却により、金属中に溶解した炭素を材料表面にグラフェン膜またはグラファイト膜として析出させるというものである。   In the present invention, a liquid phase growth method is used as a means for growing graphene / graphite. The principle of the liquid phase growth method is that the carbon material is once dissolved as carbon in the metal used as a flux (high temperature solvent) by heating, and then the carbon dissolved in the metal is cooled on the surface of the graphene film by cooling. Alternatively, it is deposited as a graphite film.

液相成長法によるグラフェン・グラファイト膜形成の原理は図1に示す3つの段階に分けて説明できる。   The principle of forming a graphene / graphite film by the liquid phase growth method can be explained in three stages shown in FIG.

第1段階は、図1(a)に示すように、炭素源1、フラックス2、被覆対象物3を用意し、フラックス2を挟んで、炭素源1と被覆対象物3を配置する段階である。この際、既存の方法ではフラックス2として、主にガリウム(Ga)を使用する。
ガリウムを使用する理由は主に2つある。第1の理由は、ガリウムの融点が29.6℃と室温付近なので、製造前後でガリウムの配置や除去が簡便であるためであるため、第2の理由は、ガリウムの沸点は2403℃と高温であり、液体状態の温度幅が広いことから、液相成長用フラックスとして使用可能な温度範囲が広範なためである。
As shown in FIG. 1A, the first stage is a stage in which the carbon source 1, the flux 2, and the covering object 3 are prepared, and the carbon source 1 and the covering object 3 are arranged with the flux 2 interposed therebetween. . At this time, in the existing method, gallium (Ga) is mainly used as the flux 2.
There are two main reasons for using gallium. The first reason is that the melting point of gallium is 29.6 ° C., which is near room temperature, so that the arrangement and removal of gallium is easy before and after production, and the second reason is that the boiling point of gallium is as high as 2403 ° C. This is because the temperature range in the liquid state is wide and the temperature range that can be used as the flux for liquid phase growth is wide.

第2段階は、適当な温度で加熱することで、図1(b)に示すように、炭素源1表層に存在する炭素4がフラックス2に溶解する段階である。フラックス2に溶解する炭素4の量、すなわち、フラックス2中の炭素溶解度は使用するフラックス2の金属の種類と加熱温度に依存する。   The second stage is a stage in which the carbon 4 existing in the surface layer of the carbon source 1 is dissolved in the flux 2 by heating at an appropriate temperature, as shown in FIG. The amount of carbon 4 dissolved in the flux 2, that is, the carbon solubility in the flux 2, depends on the metal type of the flux 2 used and the heating temperature.

第3段階は、図1(c)に示すように、冷却することにより、フラックス2に溶解した炭素4は過飽和状態となり、フラックス2の表層で析出を開始し、結果として炭素源1と被覆対象物3の表面にグラフェン・グラファイト膜5が形成される段階である。   In the third stage, as shown in FIG. 1C, by cooling, the carbon 4 dissolved in the flux 2 becomes supersaturated and starts to precipitate on the surface layer of the flux 2, resulting in the carbon source 1 and the object to be coated. In this stage, a graphene / graphite film 5 is formed on the surface of the object 3.

上記の液相成長法の原理を鑑みると、グラフェン・グラファイト膜の厚膜化を達成ためには、通常は次の2つの方法が考えられる。すなわち、第1の方法は、上記第2段階において、出来るだけ加熱温度を上昇させること、第2の方法としては、フラックス2として炭素溶解度が大きい金属を選択することである。しかしながら、以下に説明する通り、この2つの方法だけでは、不十分であることが詳細な実験により判明した。   In view of the principle of the liquid phase growth method described above, the following two methods are usually conceivable in order to increase the thickness of the graphene / graphite film. That is, the first method is to raise the heating temperature as much as possible in the second stage, and the second method is to select a metal having high carbon solubility as the flux 2. However, as explained below, detailed experiments have shown that these two methods alone are insufficient.

まず、第1の方法、すなわち、加熱温度上昇の問題点は、フラックス2としてガリウムを使用する場合、加熱温度の上限が1500℃前後であることである。ガリウムの蒸気圧は1500℃で10Paを越えるため、この温度ではガリウムの消耗が激しく、加熱時間の経過と伴に、段々とフラックスとしての用を成さなくなる。実施例1で詳述するが、図7(c)で示すように、上限温度1500℃加熱のガリウムフラックスによる液相成長で得られる被覆対象物3上のグラフェン・グラファイト膜の膜厚は高々25nmである。しかも、蒸散するガリウムを予め推定して余分に添加しなければならないため、製造コストを鑑みても実用的でない。
従って、単純な加熱温度上昇だけではグラフェン・グラファイト膜の100nm以上の厚膜化は図れない。
First, the problem with the first method, that is, the heating temperature rise, is that when gallium is used as the flux 2, the upper limit of the heating temperature is around 1500 ° C. Since the vapor pressure of gallium exceeds 10 3 Pa at 1500 ° C., the consumption of gallium is severe at this temperature, and as the heating time elapses, it is no longer used as a flux. As will be described in detail in Example 1, as shown in FIG. 7 (c), the film thickness of the graphene / graphite film on the coating target 3 obtained by liquid phase growth with a gallium flux heated at an upper limit temperature of 1500 ° C. is at most 25 nm. It is. Moreover, since gallium to be evaporated must be estimated and added in excess, it is not practical in view of manufacturing costs.
Therefore, it is not possible to increase the thickness of the graphene / graphite film to 100 nm or more by simply increasing the heating temperature.

次に、第2の方法、すなわち、フラックスとして炭素溶解度が大きい金属を選択することの問題点は、被覆対象物3の表面への固着と炭化物形成の2点である。例えば、遷移金属であるニッケル(Ni)と典型元素金属であるガリウムを比較すると、図2に示すように、どの温度においてもニッケルの炭素溶解度はガリウムのそれより2〜3桁高い。この傾向は他の遷移金属でも同様である。従って、液相成長におけるフラックス2をガリウムから遷移金属へ置き換えれば、桁違いの厚膜化が図れると類推される。   Next, the second method, that is, the problem of selecting a metal having a high carbon solubility as a flux, is two points of fixation to the surface of the coating object 3 and carbide formation. For example, comparing nickel (Ni), which is a transition metal, with gallium, which is a typical element metal, as shown in FIG. 2, the carbon solubility of nickel is 2-3 orders of magnitude higher than that of gallium at any temperature. This tendency is the same for other transition metals. Therefore, it can be inferred that if the flux 2 in the liquid phase growth is replaced from gallium to a transition metal, the thickness can be increased by an order of magnitude.

しかしながら、実験の結果、実際にはこの方法はうまくいかないことが分かった。例えば、図7(d)に示すように、鋼鉄(SUS304)をフラックスとして使用した場合、冷却後、フラックス2は被覆対象物3の表面に強固に固着し、自然剥離しない。実施例1で詳細を述べるが、固着したフラックスを酸で溶解しても、被覆対象物3の表面にグラフェン・グラファイト膜の形成は観察されず、荒れた表面が残るばかりである。   However, experiments have shown that this method does not actually work. For example, as shown in FIG. 7 (d), when steel (SUS304) is used as a flux, after cooling, the flux 2 firmly adheres to the surface of the covering object 3 and does not peel off naturally. Although details will be described in Example 1, even if the fixed flux is dissolved with an acid, the formation of a graphene / graphite film is not observed on the surface of the object 3 to be coated, and only a rough surface remains.

固着の原因は、冷却過程において、剥離性の悪いSUS304自体や、溶解した炭素4と金属2であるSUS304の構成元素の鉄等が化合した炭化物(FeC等)が被覆対象物3の表面に析出するためと考えられる。また、グラフェン・グラファイト膜が形成されない原因は、冷却過程において、金属2中に溶解した炭素4が純粋炭素のグラファイトとしてではなく、フラックス2と化合した炭化物(FeC等)として、被覆対象材料3の表面もしくはフラックス2の内部に析出するためと考えられる。 The cause of the sticking is that the surface of the coating object 3 is SUS304 itself having poor peelability or a carbide (Fe 3 C or the like) in which the dissolved carbon 4 and the constituent elements of SUS304, such as metal 2, such as iron are combined in the cooling process. This is thought to be due to precipitation. Further, the reason why the graphene / graphite film is not formed is that the carbon 4 dissolved in the metal 2 is not as pure carbon graphite but as a carbide (Fe 3 C, etc.) combined with the flux 2 in the cooling process. This is presumably because it precipitates on the surface of 3 or the inside of the flux 2.

従って、グラフェン・グラファイト膜の厚膜化を達成するためには、単純に、炭素溶解度の高い金属をフラックスとして選択するだけでは不十分であり、冷却過程における炭化物形成を抑制すること、冷却後のフラックス2の剥離性を確保することが必要となる。   Therefore, in order to achieve thickening of the graphene / graphite film, it is not sufficient to simply select a metal with high carbon solubility as a flux, to suppress carbide formation in the cooling process, It is necessary to ensure the peelability of the flux 2.

上記問題を解決する手段として、鋭意研究開発の結果、鉄、コバルト、ニッケル等の遷移金属と、ガリウム等の典型元素金属との合金をグラフェン・グラファイト膜の液相成長用のフラックスとして使用することが効果的であることを解明した。この効果は遷移金属と典型元素金属を合金化することよる相補的・相乗的効果であり、両者の存在が上記問題点を解決する。すなわち、合金フラックスには3つの効果がある。第1の効果は、遷移金属の存在が高温時の典型元素金属の蒸気圧の上昇を抑制することである。これにより、加熱温度の上昇を望める。
第2の効果は、冷却過程において、典型元素金属の存在が遷移金属の炭化物形成を抑制することである。第3の効果は、フラックス除去時、典型元素金属単体もしくは典型元素金属と遷移金属の金属化合物(GaNi等)の存在が剥離性を高め、フラックスと材料表面との固着を防ぐ。これら3つの効果が奏功して、グラフェン・グラファイト膜の膜厚が100nm以上の厚膜化を達成することが可能となる。なおグラフェン・グラファイト膜の形成と厚膜化には、合金フラックス中の典型元素金属と遷移金属の比率を精密に調整すること、加熱温度を適切に設定することが望ましい。以上の議論は、ナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜についても当てはまる。
As a means to solve the above problem, as a result of earnest research and development, an alloy of transition metal such as iron, cobalt, nickel and typical element metal such as gallium should be used as a flux for liquid phase growth of graphene / graphite film. It was clarified that is effective. This effect is a complementary and synergistic effect obtained by alloying the transition metal and the typical element metal, and the presence of both solves the above-described problems. That is, the alloy flux has three effects. The first effect is that the presence of the transition metal suppresses an increase in the vapor pressure of the typical element metal at a high temperature. Thereby, an increase in heating temperature can be expected.
The second effect is that the presence of the typical element metal suppresses transition metal carbide formation in the cooling process. The third effect is that when the flux is removed, the presence of a typical element metal alone or a metal compound of a typical element metal and a transition metal (such as Ga 3 Ni) improves the peelability and prevents the flux from adhering to the material surface. These three effects are successful, and it is possible to achieve a thick film having a graphene / graphite film thickness of 100 nm or more. For the formation and thickening of the graphene / graphite film, it is desirable to precisely adjust the ratio of the typical element metal to the transition metal in the alloy flux and to set the heating temperature appropriately. The above discussion also applies to composite films of nanocarbon and graphene / graphite.

以下に、グラフェン・グラファイト膜の形成ならびに膜厚が100nm以上の厚膜化に用いる合金フラックス中の典型元素金属と遷移金属の比率の範囲と加熱温度の範囲について、典型元素金属としてガリウム、遷移金属として鉄、ニッケル、コバルトを例にとり、それぞれ、両者の2元系状態図に基づいて説明する。   Below, the ratio of the ratio of the typical element metal to the transition metal in the alloy flux used for the formation of the graphene / graphite film and the thickening of the film with a film thickness of 100 nm or more and the range of the heating temperature, the typical element metal is gallium, transition metal As an example, iron, nickel, and cobalt will be described based on the binary phase diagrams of the two.

図3はガリウム−鉄の2元系状態図である。縦軸が温度(℃)、横軸(上)が鉄の重量比率(重量%)、横軸(下)が鉄の原子比率(原子%)である。   FIG. 3 is a gallium-iron binary phase diagram. The vertical axis represents temperature (° C.), the horizontal axis (upper) represents the weight ratio (% by weight) of iron, and the horizontal axis (lower) represents the atomic ratio (atomic%) of iron.

材料上のグラフェン・グラファイト膜の厚膜化(膜厚:100nm以上)の条件:Zは、以下に記す3つの条件(A、B、C)の論理積(A∩B∩C)となる。すなわち、Z=A∩B∩Cである。   Conditions for increasing the thickness of the graphene / graphite film on the material (film thickness: 100 nm or more): Z is the logical product (A∩B∩C) of the following three conditions (A, B, C). That is, Z = A∩B∩C.

条件A: 合金液体化のための温度条件
条件B: グラフェン・グラファイト膜形成のための温度条件
条件C: 厚膜化のために合金フラックスが有効に働く合金比率の条件
条件Aは、典型元素金属と遷移金属の合金フラックスが液体となる温度の下限を規定し、図3のガリウム−鉄の2元型状態図において、ガリウムの融点:29.8℃から鉄の融点:1538℃に渡る液相線より高温側の温度範囲となる(図3の凡例参照)。この条件は本発明では液相成長法を使用しており、合金フラックスは液体状態で役割を果たすことに由来する。
Condition A: Temperature condition for alloy liquefaction Condition B: Temperature condition for graphene / graphite film formation Condition C: Alloy ratio condition for effective alloy flux for thickening Condition A is a typical element metal And the lower limit of the temperature at which the transition metal alloy flux becomes liquid. In the gallium-iron binary phase diagram of FIG. 3, the liquid phase from the melting point of gallium: 29.8 ° C. to the melting point of iron: 1538 ° C. The temperature range is higher than the line (see legend in FIG. 3). This condition is derived from the fact that the liquid phase growth method is used in the present invention, and the alloy flux plays a role in the liquid state.

条件Bは、液相成長において、アモルファス炭素ではなく、グラファイト構造が形成される加熱温度の下限を規定し、800℃以上の温度範囲となる(図3の凡例参照)。この条件は液相成長法において、グラフェン・グラファイトの成長温度は最低で800℃付近であることに由来する。   Condition B defines the lower limit of the heating temperature at which a graphite structure is formed instead of amorphous carbon in liquid phase growth, and is a temperature range of 800 ° C. or higher (see legend in FIG. 3). This condition is derived from the fact that the growth temperature of graphene / graphite is at least around 800 ° C. in the liquid phase growth method.

条件Cは、下記の3条件(C、C、C)の論理積(C∩C∩C)である。すなわち、C=C∩C∩Cである。 Condition C is the logical product (C 1 ∩C 2 ∩C 3 ) of the following three conditions (C 1 , C 2 , C 3 ). That is, C = C 1 ∩C 2 ∩C 3 .

条件Cは、加熱時に典型元素金属と遷移金属の合金フラックス中に溶解した炭素が冷却時に遷移金属と化合した炭化物として析出しない遷移金属比率の上限を規定する。実施例3で説明する通り、ガリウム・鉄合金フラックスの場合、この上限値は50重量%(約62原子%)である。 Conditions C 1, the carbon dissolved in the typical element metal and alloys in the flux of the transition metal during heating to define the upper limit of the transition metal ratios not precipitate as carbides combined with a transition metal during cooling. As described in Example 3, in the case of a gallium / iron alloy flux, this upper limit is 50% by weight (about 62 atomic%).

条件Cは、典型元素金属添加による剥離性が担保される合金フラックス中の遷移金属比率の上限を規定する。実施例3で説明する通り、ガリウム・鉄合金フラックスの場合、この上限値は20重量%(約25原子%)である。 Condition C 2 are peelable by typical elemental metal additive defines the upper limit of the transition metal ratio in the alloy flux is assured. As described in Example 3, in the case of a gallium / iron alloy flux, this upper limit is 20% by weight (about 25 atomic%).

条件Cは、グラフェン・グラファイト膜の膜厚が100nm以上と遷移金属添加の効果が顕著となる合金フラックス中の遷移金属比率の下限を規定する。実施例3で説明する通り、下限値は1重量%である。 Condition C 3 defines the lower limit of the transition metal ratio in the alloy flux thickness of graphene graphite film becomes remarkable effect of transition metal additives with the above 100 nm. As explained in Example 3, the lower limit is 1% by weight.

以上、条件C、C、Cの論理積をとると、条件Cが求まる。ガリウム・鉄合金フラックスの場合、条件Cの範囲、すなわち、鉄比率は、1〜20重量%(約1.2〜25原子%)となる(図3の凡例参照)。後述の実施例2〜5で説明する通り、条件Cは実験で求められるものである。 As described above, the condition C is obtained by calculating the logical product of the conditions C 1 , C 2 , and C 3 . In the case of a gallium-iron alloy flux, the range of the condition C, that is, the iron ratio is 1 to 20% by weight (about 1.2 to 25 atomic%) (see legend in FIG. 3). As will be described in Examples 2 to 5 described later, the condition C is obtained through experiments.

以上、3つの条件A、B、Cをすべて満たす領域が求める条件Z、すなわち、グラフェン・グラファイト膜の厚膜化(膜厚:100nm以上)の条件である。   The above is the condition Z required for the region satisfying all three conditions A, B, and C, that is, the condition for increasing the thickness of the graphene / graphite film (film thickness: 100 nm or more).

ガリウム・鉄合金フラックスの場合、材料上のグラフェン・グラファイト膜の厚膜化(膜厚:100nm以上)の条件:Zは、図示すると、図3の点線で囲まれる領域となる。すなわち、凡その温度範囲は800℃以上、合金フラックス中の鉄の比率が1重量%〜20重量%(約1.2〜25原子%)である。   In the case of a gallium / iron alloy flux, the condition Z for increasing the thickness of the graphene / graphite film on the material (film thickness: 100 nm or more): Z is a region surrounded by a dotted line in FIG. That is, the approximate temperature range is 800 ° C. or higher, and the ratio of iron in the alloy flux is 1 wt% to 20 wt% (about 1.2 to 25 atomic%).

図4はガリウム−コバルトの2元系状態図である。凡例等は図3と同様である。ガリウム・コバルト合金フラックスの場合も、上述のガリウム・鉄合金フラックスの場合と同様の議論が成り立つ。   FIG. 4 is a gallium-cobalt binary phase diagram. The legend and the like are the same as in FIG. In the case of gallium-cobalt alloy flux, the same argument holds as in the case of the above-described gallium-iron alloy flux.

ガリウム・コバルト合金フラックスの場合、材料上のグラフェン・グラファイト膜の厚膜化(膜厚:100nm以上)の条件:Zは、図示すると、図4の点線で囲まれる領域となる。すなわち、凡その温度範囲は800℃以上、合金フラックス中のコバルトの比率が1〜30重量%(約1.2〜35原子%)である。   In the case of a gallium-cobalt alloy flux, the condition for increasing the thickness of the graphene / graphite film on the material (film thickness: 100 nm or more): Z is a region surrounded by a dotted line in FIG. That is, the approximate temperature range is 800 ° C. or more, and the ratio of cobalt in the alloy flux is 1 to 30% by weight (about 1.2 to 35 atomic%).

図5はガリウム−ニッケルの2元系状態図である。凡例等は図4と同様である。ガリウム・コバルト合金フラックスの場合も、上述のガリウム・鉄合金フラックスの場合と同様の議論が成り立つ。   FIG. 5 is a gallium-nickel binary phase diagram. The legend and the like are the same as in FIG. In the case of gallium-cobalt alloy flux, the same argument holds as in the case of the above-described gallium-iron alloy flux.

ガリウム・ニッケル合金フラックスの場合、材料上のグラフェン・グラファイト膜の厚膜化(膜厚:100nm以上)の条件:Zは、図示すると、図5の点線で囲まれる領域となる。すなわち、凡その温度範囲は800℃以上、合金フラックス中のニッケルの比率が1〜40重量%(約1.2〜48原子%)である。   In the case of a gallium-nickel alloy flux, the condition Z for increasing the thickness of the graphene / graphite film on the material (film thickness: 100 nm or more): Z is a region surrounded by a dotted line in FIG. That is, the approximate temperature range is 800 ° C. or higher, and the ratio of nickel in the alloy flux is 1 to 40% by weight (about 1.2 to 48 atomic%).

なお、他の典型元素金属・遷移金属合金フラックスにおいて、遷移金属比率の下限が1重量%未満、上限が40重量%を超えるものは見つからなかった。従って、これらの数値は一般性を持つ。   In addition, in other typical element metal / transition metal alloy fluxes, no transition metal ratio having a lower limit of less than 1% by weight and an upper limit of more than 40% by weight was not found. Therefore, these numbers are general.

以上まとめると、温度範囲は800℃以上であり、典型元素金属・遷移金属合金フラックス中の遷移金属比率の下限は1重量%、上限は40重量%である。   In summary, the temperature range is 800 ° C. or higher, and the lower limit of the transition metal ratio in the typical element metal / transition metal alloy flux is 1% by weight, and the upper limit is 40% by weight.

次に、本実施形態の製造方法について述べる。   Next, the manufacturing method of this embodiment will be described.

図6は、本発明の実施の形態として、目的の構造物の表面をグラフェン膜・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイト膜の複合化膜で被覆する製造方法を示す概略図である。   FIG. 6 is a schematic view showing a manufacturing method for coating the surface of a target structure with a graphene film / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite film as an embodiment of the present invention.

第1の工程として、図6(a)に示すように炭素源担持体11を用意する。   As a first step, a carbon source carrier 11 is prepared as shown in FIG.

炭素源担持体11はグラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイト膜の複合化膜製造の原料である炭素源を担持する働きがある。但し、炭素源が固形で支えがなくとも自立可能な場合、炭素源担持体11は必ずしも必要ではない。   The carbon source support 11 has a function of supporting a carbon source which is a raw material for manufacturing a graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite film. However, the carbon source carrier 11 is not necessarily required when the carbon source is solid and can be self-supported.

炭素源担持体11は耐熱性のある材料から選択可能であり、主に以下の5つの群から選ばれる少なくとも1つが選択される。   The carbon source support 11 can be selected from heat-resistant materials, and at least one selected from the following five groups is selected.

炭素源担持体11の第1群の材料は、石英(SiO2)、アルミナやサファイア(Al2O3)、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ニッケル(NiO)、ジルコニア(ZrO2)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などの酸化物である。   The first group of materials of the carbon source carrier 11 are quartz (SiO2), alumina and sapphire (Al2O3), titanium oxide (TiO2), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), nickel oxide (NiO), and zirconia. It is an oxide such as (ZrO2), lithium niobate (LiNbO3), or lithium tantalate (LiTaO3).

第2群の材料は、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化炭素(C3N4)、窒化炭素ホウ素(BCN)などの窒化物である。   The second group of materials are nitrides such as boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), carbon nitride (C3N4), and carbon boron nitride (BCN).

第3群の材料は、炭化ケイ素(SiC)、炭化ホウ素(B4C)、炭化アルミニウム(Al4C3)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、炭化ハフニウム(HfC)、炭化バナジウム(VC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化クロム(CrC)、炭化モリブデン(MoC)、炭化タングステン(WC)などの炭化物である。   The third group of materials are silicon carbide (SiC), boron carbide (B4C), aluminum carbide (Al4C3), titanium carbide (TiC), zirconium carbide (ZrC), hafnium carbide (HfC), vanadium carbide (VC), carbonized Carbides such as niobium (NbC), tantalum carbide (TaC), chromium carbide (CrC), molybdenum carbide (MoC), and tungsten carbide (WC).

第4群の材料は、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化カルシウム(CaF2)、フッ化マグネシウム(MgF2)などのフッ化物である。   The fourth group of materials is a fluoride such as barium fluoride (BaF2), calcium fluoride (CaF2), and magnesium fluoride (MgF2).

第5群の材料は、雲母(マイカ)、ダイヤモンドなどのその他の耐熱材料である。   The fifth group of materials are other heat-resistant materials such as mica (mica) and diamond.

第2の工程として、図6(b)に示すように炭素源担持体11の表面に炭素源12を配置する。   As a second step, a carbon source 12 is disposed on the surface of the carbon source carrier 11 as shown in FIG.

炭素源12はグラファイト構造形成のための原料として働く。   The carbon source 12 serves as a raw material for forming a graphite structure.

炭素源12としては、基本的に炭素を含有する物質であれば何れも使用可能であり、主に以下の6つの群から選ばれる少なくとも1つが選択される。   As the carbon source 12, any substance that basically contains carbon can be used, and at least one selected from the following six groups is selected.

炭素源12の第1群の材料は、アモルファス炭素、ガラス状炭素、結晶性グラファイト、ダイヤモンド、炭素繊維、炭素繊維強化炭素複合材料などの炭素材料である。   The first group of materials of the carbon source 12 are carbon materials such as amorphous carbon, glassy carbon, crystalline graphite, diamond, carbon fiber, and carbon fiber reinforced carbon composite material.

第2群の材料は、カルビン、単層ナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、C60やC70に代表されるフラーレン、ナノダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノホーン、酸化グラフェンなどのナノカーボン材料である。 Material of the second group, Calvin, single-walled nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, fullerenes typified by C 60 and C 70, nanodiamond, graphene, carbon nanohorn, a nanocarbon material such as graphene oxide.

第3群の材料は、メタロセン、ナフタレン、アントラセン、ペンタセンなどの低分子有機化合物である。   The third group of materials are low molecular organic compounds such as metallocene, naphthalene, anthracene, and pentacene.

第4群の材料は、テフロン(登録商標)、PMMA(ポリメタクリル酸メチル)、ポリエチレンなどの人工高分子有機化合物である。   The fourth group of materials are artificial high molecular organic compounds such as Teflon (registered trademark), PMMA (polymethyl methacrylate), and polyethylene.

第5群の材料は、タンパク質、核酸、脂質、多糖類などの天然高分子有機化合物である。   The fifth group of materials are natural high molecular organic compounds such as proteins, nucleic acids, lipids and polysaccharides.

第6群の材料は、炭化ケイ素(SiC)、炭化ホウ素(BC)、炭化アルミニウム(Al)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、炭化ハフニウム(HfC)、炭化バナジウム(VC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化クロム(CrC)、炭化モリブデン(MoC)、炭化タングステン(WC)、窒化炭素(C)、窒化炭素ホウ素(BCN)などの炭素を含む無機化合物である。 The sixth group of materials are silicon carbide (SiC), boron carbide (B 4 C), aluminum carbide (Al 4 C 3 ), titanium carbide (TiC), zirconium carbide (ZrC), hafnium carbide (HfC), vanadium carbide. (VC), niobium carbide (NbC), tantalum carbide (TaC), chromium carbide (CrC), molybdenum carbide (MoC), tungsten carbide (WC), carbon nitride (C 3 N 4 ), carbon boron nitride (BCN), etc. It is an inorganic compound containing carbon.

炭素源12の配置の方法としては、次の3つの方法が適宜利用できる。   As a method for arranging the carbon source 12, the following three methods can be used as appropriate.

炭素源12の第1の配置方法は、真空蒸着法、分子線蒸着法、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法、化学蒸着法、スパッタ法などの乾式製膜法である。第2の配置方法は、滴下法、スピンコート法、ディップコート法などの湿式製膜法である。第3の配置方法は、吹付塗布法、エアースプレー塗布法、電着塗布法、静電塗布法などである。   The first arrangement method of the carbon source 12 is a dry film forming method such as a vacuum vapor deposition method, a molecular beam vapor deposition method, an ion plating method, an ion beam vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, or a sputtering method. The second arrangement method is a wet film forming method such as a dropping method, a spin coating method, or a dip coating method. The third arrangement method is a spray coating method, an air spray coating method, an electrodeposition coating method, an electrostatic coating method, or the like.

第3の工程として、図6(c)に示すように炭素源12上に合金フラックス13を配置する。   As a third step, an alloy flux 13 is disposed on the carbon source 12 as shown in FIG.

合金フラックス13は、前述の通り、加熱時に炭素源12を構成する炭素を溶解させ、冷却時に溶解炭素をグラファイト構造として析出させるフラックス(高温用溶媒)としての役割がある。   As described above, the alloy flux 13 serves as a flux (high temperature solvent) that dissolves carbon constituting the carbon source 12 during heating and precipitates the dissolved carbon as a graphite structure during cooling.

合金フラックス13としては、以下に示す典型元素金属と遷移金属の合金が用いられる。   As the alloy flux 13, an alloy of the following typical element metal and transition metal is used.

合金フラックス13に添加する典型元素金属としては、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、タリウム(Tl)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)等の典型元素金属の群から選ばれる少なくとも1つが選択される。   Typical element metals added to the alloy flux 13 include typical elements such as gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), aluminum (Al), thallium (Tl), lead (Pb), and bismuth (Bi). At least one selected from the group of metals is selected.

合金フラックス13に添加する遷移金属としては、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、水銀(Hg)等の遷移金属の群から選ばれる少なくとも1つが選択される。   As transition metals to be added to the alloy flux 13, scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) , Copper (Cu), zinc (Zn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag) , Cadmium (Cd), lanthanum (La), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au) , At least one selected from the group of transition metals such as mercury (Hg).

上記において、特に、典型元素金属としてはガリウム、遷移金属としては鉄、ニッケル、コバルトが合金フラックスの構成成分として好ましい。ガリウムが好ましい理由は、ガリウムが材料表面から合金フラックスを取り除く場合に剥離性を高めるから、遷移金属炭化物の形成を抑制するためである。鉄、ニッケル、コバルトが好ましい理由は、グラフェン・グラファイトの原料となる炭素の溶解度が顕著に高いためである。   In the above, gallium is particularly preferable as the typical element metal, and iron, nickel, and cobalt are preferable as the constituent components of the alloy flux as the transition metal. The reason why gallium is preferred is to suppress the formation of transition metal carbide because gallium improves the peelability when the alloy flux is removed from the material surface. The reason why iron, nickel, and cobalt are preferable is that the solubility of carbon as a raw material for graphene / graphite is remarkably high.

第4の工程として、図6(d)に示すように合金フラックス13上に構造物14を配置する。   As a fourth step, a structure 14 is disposed on the alloy flux 13 as shown in FIG.

構造物14はグラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイト膜の複合化膜を被覆する目的対象物である。構造物14は、大きさがミクロからマクロまで任意の形状が使用可能で、ワイヤー状の1次元構造、シート状の2次元構造、様々な形状の3次元的構造を有しても構わない。なお、構造物14は耐熱性のある材料から選択可能であり、主に以下の7つの群から選ばれる少なくとも1つが選択される。   The structure 14 is a target object that covers a graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite film. The structure 14 can have any shape from micro to macro, and may have a wire-like one-dimensional structure, a sheet-like two-dimensional structure, and various shapes of three-dimensional structures. The structure 14 can be selected from heat-resistant materials, and at least one selected from the following seven groups is selected.

構造物14の第1群は、アモルファス炭素、ガラス状炭素、結晶性グラファイト、ダイヤモンド、炭素繊維、炭素繊維強化炭素複合材料などの炭素材料である。   The first group of the structures 14 is a carbon material such as amorphous carbon, glassy carbon, crystalline graphite, diamond, carbon fiber, or carbon fiber reinforced carbon composite material.

第2群の材料は、カルビン、単層ナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、C60やC70に代表されるフラーレン、ナノダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノホーン、酸化グラフェンなどのナノカーボン材料である。   The second group of materials are nanocarbon materials such as carbine, single-walled nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, fullerenes typified by C60 and C70, nanodiamonds, graphene, carbon nanohorns, and graphene oxide.

第3群は、石英(SiO2)、アルミナやサファイア(Al2O3)、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ニッケル(NiO)、ジルコニア(ZrO2)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などの酸化物である。   The third group consists of quartz (SiO2), alumina and sapphire (Al2O3), titanium oxide (TiO2), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), nickel oxide (NiO), zirconia (ZrO2), lithium niobate ( It is an oxide such as LiNbO3) or lithium tantalate (LiTaO3).

第4群は、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化炭素(C3N4)、窒化炭素ホウ素(BCN)などの窒化物である。   The fourth group includes nitrides such as boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), carbon nitride (C3N4), and carbon boron nitride (BCN).

第5群は、炭化ケイ素(SiC)、炭化ホウ素(B4C)、炭化アルミニウム(Al4C3)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)。炭化ハフニウム(HfC)、炭化バナジウム(VC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化クロム(CrC)、炭化モリブデン(MoC)、炭化タングステン(WC)などの炭化物である。   The fifth group is silicon carbide (SiC), boron carbide (B4C), aluminum carbide (Al4C3), titanium carbide (TiC), and zirconium carbide (ZrC). These are carbides such as hafnium carbide (HfC), vanadium carbide (VC), niobium carbide (NbC), tantalum carbide (TaC), chromium carbide (CrC), molybdenum carbide (MoC), and tungsten carbide (WC).

第6群は、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化カルシウム(CaF2)、フッ化マグネシウム(MgF2)などのフッ化物である。   The sixth group is a fluoride such as barium fluoride (BaF2), calcium fluoride (CaF2), and magnesium fluoride (MgF2).

第7群は、雲母(マイカ)、ダイヤモンドなどのその他の耐熱材料である。   The seventh group is other heat-resistant materials such as mica (mica) and diamond.

なお、構造物14が上記の第2群以外であり、構造物14をナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜で被覆する場合は、予め、構造物14の表面にナノカーボンを製膜しておくとよい。上記製膜したナノカーボンはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜のナノカーボン源として、また炭素源としても働く。   In addition, when the structure 14 is other than the second group and the structure 14 is covered with a composite film of nanocarbon and graphene / graphite, the nanocarbon is formed on the surface of the structure 14 in advance. It is good to leave. The nanocarbon thus formed serves as a nanocarbon source of a composite film of nanocarbon and graphene / graphite, and also as a carbon source.

ナノカーボン材料としては、カルビン、単層ナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、C60やC70に代表されるフラーレン、ナノダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノホーン、酸化グラフェンなどから選ばれる少なくとも1つが選択される。   As the nanocarbon material, at least one selected from carbyne, single-walled nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, fullerenes represented by C60 and C70, nanodiamonds, graphene, carbon nanohorns, graphene oxide, and the like is selected.

第5の工程として、加熱処理を行う。   As a fifth step, heat treatment is performed.

この際、炭素源担持体11、炭素源12、合金フラックス13、構造物14を適当な蓋付きの容器内に収納する。
これは加熱時に合金フラックス13の流動や蒸散を防ぐためである。適当な温度まで加熱を行うと、合金フラックス13が溶融し、合金フラックス13中に炭素源12に含まれる炭素が溶解する。また、構造物14がナノカーボンで製膜されている場合は、ナノカーボンを構成する炭素の一部も合金フラックス中13に溶解する。
At this time, the carbon source carrier 11, the carbon source 12, the alloy flux 13, and the structure 14 are accommodated in a container with an appropriate lid.
This is to prevent the flux and transpiration of the alloy flux 13 during heating. When heating to an appropriate temperature, the alloy flux 13 is melted, and the carbon contained in the carbon source 12 is dissolved in the alloy flux 13. When the structure 14 is formed of nanocarbon, part of the carbon constituting the nanocarbon is also dissolved in the alloy flux 13.

加熱する手段としては、次の3つの方法を適宜用いることが可能である。     As means for heating, the following three methods can be appropriately used.

第1の加熱方法は、電気炉、赤外線ランプによる加熱方法である。第2の加熱方法は、高周波誘導加熱装置を用いる加熱方法である。第3の加熱方法は、マイクロ波誘電加熱装置を利用する加熱方法である。   The first heating method is a heating method using an electric furnace or an infrared lamp. The second heating method is a heating method using a high frequency induction heating device. The third heating method is a heating method using a microwave dielectric heating device.

加熱する温度は800℃以上である。   The heating temperature is 800 ° C. or higher.

前述の通り、加熱温度は、合金液体化のための温度条件(条件A)とグラフェン・グラファイト形成のための温度条件(条件B)の両者から決定される。   As described above, the heating temperature is determined from both the temperature condition (condition A) for liquefying the alloy and the temperature condition (condition B) for forming graphene / graphite.

第6の工程として、冷却処理を行う。   As a sixth step, a cooling process is performed.

冷却を行うと、合金フラックス13中に溶解した炭素がグラフェン・グラファイトとして構造物14の表面に析出する。なお、構造物14がナノカーボンで構成されている場合、もしくは構造物14がナノカーボンで表面被覆されている場合は、溶解炭素によるナノカーボンの再構成とグラフェン・グラファイト生成が協奏的に進行することで、ナノカーボンとグラフェン・グラファイトとが強固な共有結合を介して融合した複合化膜が形成される。これらの膜を持って構造物14の被覆とする。   When cooling is performed, carbon dissolved in the alloy flux 13 is deposited on the surface of the structure 14 as graphene / graphite. In addition, when the structure 14 is comprised with nanocarbon, or when the structure 14 is surface-coated with nanocarbon, reconstruction of nanocarbon by dissolved carbon and graphene / graphite production proceed in concert. Thus, a composite film in which nanocarbon and graphene / graphite are fused via a strong covalent bond is formed. The film 14 is covered with these films.

冷却処理の条件は次の通りである。   The conditions for the cooling treatment are as follows.

単位時間当たりの降下温度、すなわち、冷却速度は小さい程、高品質のグラフェン・グラファイトが得られる。例えば、加熱した温度から400℃までの範囲で、100℃/分以下が望ましく、10℃/分以下がより望ましく、1℃/分以下であればさらに好ましい。なお、400℃以下では自然放熱による冷却で構わない。   The lower the temperature drop per unit time, that is, the cooling rate, the higher the quality of graphene graphite. For example, in the range from the heated temperature to 400 ° C., 100 ° C./min or less is desirable, 10 ° C./min or less is more desirable, and 1 ° C./min or less is even more desirable. In addition, at 400 degrees C or less, the cooling by natural heat radiation may be sufficient.

ここで、100℃/分以下という冷却速度の上限は、合金フラックス13中の溶解炭素をアモルファスとして析出させないために許される最高速度である。グラフェンやグラファイトの品質はラマンスペクトルに現れるDバンドとGバンドの強度比であるD/G比を指標として定量化可能で、D/G比は低い程、グラフェン・グラファイトの品質が高い。例えば、冷却速度を10℃/分以下にすると、D/G比≦0.2である、高品質なグラフェン・グラファイトを形成することが可能である。さらに、冷却速度が1℃/分以下であれば、D/G比≦0.1である、特に高品質なグラフェン・グラファイトを得ることが出来る。   Here, the upper limit of the cooling rate of 100 ° C./min or less is the maximum rate allowed to prevent the dissolved carbon in the alloy flux 13 from being precipitated as amorphous. The quality of graphene and graphite can be quantified using the D / G ratio, which is the intensity ratio of the D band and G band appearing in the Raman spectrum, as the index. The lower the D / G ratio, the higher the quality of graphene / graphite. For example, when the cooling rate is 10 ° C./min or less, it is possible to form high-quality graphene graphite having a D / G ratio ≦ 0.2. Furthermore, when the cooling rate is 1 ° C./min or less, it is possible to obtain a particularly high quality graphene graphite having a D / G ratio ≦ 0.1.

第7の工程として、合金フラックスの除去を行う。   As a seventh step, the alloy flux is removed.

冷却後、合金フラックス13は合金比率に依存して液体もしくは個体の状態である。液体の場合は物理的な吸引により大部分を取り除く。固体の場合は自然剥離する。もし、図6(e)に示すように、合金フラックス13の残渣15がある場合は酸・アルカリ処理で化学的に溶解除去する。   After cooling, the alloy flux 13 is in a liquid or solid state depending on the alloy ratio. In the case of liquid, most is removed by physical suction. If it is solid, it will peel off naturally. If there is a residue 15 of the alloy flux 13 as shown in FIG. 6E, it is chemically dissolved and removed by acid / alkali treatment.

合金フラックス13の残渣を溶解する酸としては、塩酸(HCl)、硫酸(HSO)、硝酸(HNO)などを用いることが可能である。金属2がガリウムやアルミニウムのような両性金属の場合は、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化テトラメチルアンモニウムの水溶液を用いることも可能である。洗浄は適当な加温のもと、洗浄液に全体を浸漬すると、洗浄効果が高い。 As an acid for dissolving the residue of the alloy flux 13, hydrochloric acid (HCl), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), nitric acid (HNO 3 ), or the like can be used. When the metal 2 is an amphoteric metal such as gallium or aluminum, an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), or tetramethylammonium hydroxide can be used. The cleaning effect is high when the whole is immersed in a cleaning solution under appropriate heating.

なお、使用後の合金フラックス13はフラックスとして再利用可能である。フラックスの再生は製造コストを顕著に低下させる効果がある。   The used alloy flux 13 can be reused as a flux. The regeneration of the flux has the effect of significantly reducing the manufacturing cost.

以上の工程を経て、図6(f)に示すように、最終的にグラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトとの複合化膜16で被覆された構造物17が得られる。   Through the above steps, as shown in FIG. 6F, a structure 17 is finally obtained which is covered with a graphene / graphite film or a composite film 16 of nanocarbon and graphene / graphite.

本実施形態は以下のような効果がある。第1の効果は、典型元素金属と遷移金属を含む合金フラックスを用いる液相成長法を用いることで、不純物を含まず、構造的欠陥がなく、また、膜厚が100nm以上で制御されたグラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜による被覆を実現した対象物を提供することができる。特に、sp系炭素材料表面において、グラファイト構造による完全結晶化と厚膜化を同時に達成できる。 This embodiment has the following effects. The first effect is that by using a liquid phase growth method using an alloy flux containing a typical element metal and a transition metal, the graphene is free of impurities, has no structural defects, and is controlled to have a film thickness of 100 nm or more. An object can be provided that has been coated with a graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite. In particular, complete crystallization and thickening due to the graphite structure can be simultaneously achieved on the surface of the sp 2 -based carbon material.

第2の効果は、典型元素金属と遷移金属を含む合金フラックスを用いる液相成長法を用いることで、低製造コスト、省エネルギー、低環境負荷を実現した、任意形状を持つ対象物に膜厚が100nm以上のグラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜を被覆する製造方法を提供することができる。
(実施例)
以下、実施例及び比較例に基づき、本発明を詳細に説明する。
(比較例)
本比較例では、典型元素金属のみをフラックスとして液相成長を試みても、膜厚が100nm以上のグラフェン・グラファイト膜の被膜が望めないことを証明する目的で、ガリウムのみを用いた液相成長について説明する。次いで、ガリウムと比較しで、炭素溶解度が著しく高い遷移金属のみをフラックスとして液相成長を試みても、グラフェン・グラファイト膜の形成が不可能であることを証明する目的で、鋼鉄(SUS304)を用いた液相成長について説明する。
The second effect is that by using a liquid phase growth method using an alloy flux containing a typical element metal and a transition metal, the film thickness of an object having an arbitrary shape that realizes low manufacturing cost, energy saving, and low environmental load is achieved. A manufacturing method for coating a graphene / graphite film of 100 nm or more, or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite can be provided.
(Example)
Hereinafter, based on an Example and a comparative example, this invention is demonstrated in detail.
(Comparative example)
In this comparative example, liquid phase growth using only gallium is used to prove that a film of graphene / graphite film having a film thickness of 100 nm or more cannot be expected even if liquid phase growth is attempted using only a typical element metal as a flux. Will be described. Next, steel (SUS304) is used for the purpose of demonstrating that it is impossible to form a graphene-graphite film even if a liquid phase growth is attempted using only a transition metal having a significantly higher carbon solubility as a flux than gallium. The liquid phase growth used will be described.

製造は図3示す製造方法の工程に従い行った。   Manufacture was performed according to the steps of the manufacturing method shown in FIG.

第1の手順として、炭素繊維強化炭素複合材料基板を炭素源・被覆対象物として、2枚用意した。
なお、炭素繊維強化炭素複合材料基板は表面を研磨した。研磨する理由は、基板上に元々存在する凹凸を無くすことで、液相成長法の適用前後の変化を定量的に評価するためである。研磨の効果は、図7(a)、(b)の炭素繊維強化炭素複合材料基板表面の光学顕微鏡像で示される。(a)の研磨前の場合、凹凸の高低差が±100μmであるのに対し、(b)の研磨後の場合では、高低差が±10nmまで減少する。これにより、例えば、液相成長法で製造されるグラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜の膜厚を正確に測定出来るようになる。
As a first procedure, two carbon fiber reinforced carbon composite material substrates were prepared as carbon sources / covering objects.
The surface of the carbon fiber reinforced carbon composite material substrate was polished. The reason for polishing is to quantitatively evaluate the change before and after application of the liquid phase growth method by eliminating the unevenness originally existing on the substrate. The effect of the polishing is shown by an optical microscopic image of the surface of the carbon fiber reinforced carbon composite substrate in FIGS. 7 (a) and 7 (b). In the case of (a) before polishing, the height difference of the unevenness is ± 100 μm, whereas in the case after (b) polishing, the height difference is reduced to ± 10 nm. Thereby, for example, the film thickness of a graphene / graphite film produced by a liquid phase growth method or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite can be accurately measured.

第2の手順として、1枚目の炭素繊維強化炭素複合材料基板をガラス状炭素製の反応容器に納め、1枚目の炭素繊維強化炭素複合材料基板上にフラックスを配置した。フラックスがガリウムの場合は液体なのでピペット等で定量し、SUS304の場合は固体なので切片を秤量して配置した。次いで、合金フラックス上に、2枚目の炭素繊維強化炭素複合材料基板を配置した。   As a second procedure, the first carbon fiber reinforced carbon composite material substrate was placed in a glassy carbon reaction vessel, and a flux was disposed on the first carbon fiber reinforced carbon composite material substrate. When the flux was gallium, it was liquid, so it was quantified with a pipette or the like, and when it was SUS304, it was solid, so the sections were weighed and arranged. Next, a second carbon fiber reinforced carbon composite material substrate was placed on the alloy flux.

第3の手順として、上記で用意した反応容器を電気炉にセットした後、真空までポンプで排気した。次いで、系内の揮発性不純物を除去する目的で、室温から300℃まで加熱して60分間同温度を保持した。その後、300℃から1500℃まで120分間掛けて加熱した後、1500℃から700℃まで80分掛けて冷却した。最後に、700℃から室温まで自然放熱で冷却した。   As a third procedure, the reaction vessel prepared above was set in an electric furnace and then evacuated to a vacuum. Next, in order to remove volatile impurities in the system, the system was heated from room temperature to 300 ° C. and kept at the same temperature for 60 minutes. Then, after heating for 120 minutes from 300 degreeC to 1500 degreeC, it cooled over 1500 minutes from 1500 degreeC to 700 degreeC. Finally, it cooled by natural heat radiation from 700 degreeC to room temperature.

第4の手順として、基板からフラックスを除去した。フラックスがガリウムの場合、室温(約20℃)でも一旦溶融したガリウムは過冷却状態にあるため液体であった。大部分のガリウムをピペット等で吸引除去後、基板上のガリウム残渣を完全に取り除くために120℃の塩酸中で基板を30分間浸漬した。次いで、水、アセトン、イソプロピルアルコールの順で基板を洗浄し、窒素ブローで乾燥させた。最後に、基板を30分間、200℃で加熱して水、溶媒などを除去した。
フラックスがSUS304の場合は、フラックスが基板に固着し剥離できなかったため、120℃の塩酸中で基板を120分間浸漬し、フラックスを溶解除去した。しかし、酸処理では完全に除去出来ない部分が見られ、恐らく炭化物(FeCなど)の固着に由来すると考えられる。次いで、水、アセトン、イソプロピルアルコールの順で基板を洗浄し、窒素ブローで乾燥させた。最後に、基板を30分間、200℃で加熱して水、溶媒などを除去した。
As a fourth procedure, the flux was removed from the substrate. When the flux was gallium, the gallium once melted at room temperature (about 20 ° C.) was a liquid because it was in a supercooled state. After removing most of the gallium with a pipette or the like, the substrate was immersed in hydrochloric acid at 120 ° C. for 30 minutes in order to completely remove the gallium residue on the substrate. Next, the substrate was washed in the order of water, acetone, and isopropyl alcohol, and dried by blowing nitrogen. Finally, the substrate was heated at 200 ° C. for 30 minutes to remove water, solvent, and the like.
When the flux was SUS304, the flux adhered to the substrate and could not be peeled off, so the substrate was immersed in 120 ° C. hydrochloric acid for 120 minutes to dissolve and remove the flux. However, a portion that cannot be completely removed by acid treatment is observed, which is probably due to the fixation of carbides (such as Fe 3 C). Next, the substrate was washed in the order of water, acetone, and isopropyl alcohol, and dried by blowing nitrogen. Finally, the substrate was heated at 200 ° C. for 30 minutes to remove water, solvent, and the like.

次に、本比較例の結果について説明する。   Next, the result of this comparative example will be described.

図7(c)、(d)は、それぞれ、ガリウムのみ、SUS304のみをフラックスとして用いた液相成長法を適用した結果得られる炭素繊維強化炭素複合材料表面の光学顕微鏡像である。   FIGS. 7C and 7D are optical microscope images of the surface of the carbon fiber reinforced carbon composite material obtained as a result of applying the liquid phase growth method using only gallium and only SUS304 as a flux, respectively.

(c)のフラックスがガリウムのみの場合、グラフェン・グラファイト膜は一枚板ではなく疎らに成長しており、個々のグラフェン・グラファイト結晶の2次元的なサイズも1μm以下とかなり小さい。グラフェン・グラファイト膜の膜厚は平均25nmであり、膜厚100nmには遠く及ばない。   When the flux of (c) is only gallium, the graphene / graphite film grows sparsely rather than a single plate, and the two-dimensional size of each graphene / graphite crystal is also as small as 1 μm or less. The average film thickness of the graphene / graphite film is 25 nm, which is far from 100 nm.

また、(d)のフラックスがSUS304のみの場合、フラックスが基板に固着した結果、基板上は非常に荒れた状態となる。この観察結果は遷移金属のみでは剥離性が確保できないことを意味する。さらに、重要な点はグラフェン・グラファイト膜の成長は全く観察されないことである。この観察結果は、遷移金属のみのフラックスの場合、溶解した炭素がグラフェン・グラファイトとして析出せずに、遷移金属と化合した炭化物(FeCなど)として析出したためと解釈できる。後者の原因は遷移金属のみでは炭素溶解度が大き過ぎることに起因すると考えられる。 Further, when the flux (d) is only SUS304, the substrate is very rough as a result of the flux being fixed to the substrate. This observation result means that the peelability cannot be ensured only with the transition metal. Furthermore, the important point is that no graphene / graphite film growth is observed. This observation result can be interpreted as that, in the case of a transition metal-only flux, dissolved carbon does not precipitate as graphene / graphite, but precipitates as a carbide (such as Fe 3 C) combined with the transition metal. The reason for the latter is considered to be due to the fact that the transition metal alone is too high in carbon solubility.

最後に、本比較例の結論を述べる。   Finally, the conclusion of this comparative example will be described.

以上の結果から、ガリウムのみをフラックスとして液相成長を試みても、膜厚が100nm以上のグラフェン・グラファイト膜の被膜が望めないことが証明される。また、ガリウムと比較して炭素溶解度が著しく高い遷移金属のみをフラックスとして液相成長を試みても、グラフェン・グラファイト膜の形成は不可能であることが証明される。
(実施例1)
本実施例では、上記で説明した条件C、すなわち、グラフェン・グラファイト膜の膜厚が100nm以上と遷移金属添加の効果が顕著となる合金フラックス中の遷移金属比率の下限を決定する目的で、合金フラックスを用いた液相成長法により、炭素繊維強化炭素複合材料をグラフェン・グラファイト膜で被覆した結果について述べる。ここでは、ガリウム・ニッケル合金を合金フラックスとして用いた場合を説明する。
From the above results, it is proved that even if liquid phase growth is attempted using only gallium as a flux, a graphene / graphite film with a film thickness of 100 nm or more cannot be expected. Further, it is proved that a graphene / graphite film cannot be formed even if liquid phase growth is attempted using only a transition metal having a significantly higher carbon solubility than gallium as a flux.
Example 1
In this example, the condition C 3 described above, that is, for the purpose of determining the lower limit of the transition metal ratio in the alloy flux in which the graphene / graphite film thickness is 100 nm or more and the effect of transition metal addition becomes significant, The results of coating a carbon fiber reinforced carbon composite with a graphene / graphite film by liquid phase growth using an alloy flux are described. Here, a case where a gallium-nickel alloy is used as an alloy flux will be described.

製造は図6に示す製造方法の工程に従った。具体的な手順は以下の通りである。   Manufacture followed the process of the manufacturing method shown in FIG. The specific procedure is as follows.

第1の手順として、表面研磨した炭素繊維強化炭素複合材料基板を炭素源・被覆対象物としてとして、2枚用意した。   As a first procedure, two surface-polished carbon fiber reinforced carbon composite material substrates were prepared as carbon sources / coating objects.

第2の手順として、1枚目の炭素繊維強化炭素複合材料基板をガラス状炭素製の反応容器に納め、1枚目の炭素繊維強化炭素複合材料基板上に、合金フラックスとして液体のガリウムと固体のニッケルを配置した。なお、合金フラックス中のニッケル比率が、それぞれ、1重量%(Ga:Ni=99:1)、3重量%(Ga:Ni=97:3)、10重量%(Ga:Ni=90:10)になるように調整したものを用意した。なお、比較のために、ニッケルを含まないガリウム100%のフラックスも用意した。次いで、合金フラックス上に、2枚目の炭素繊維強化炭素複合材料基板を配置した。   As a second procedure, the first carbon fiber reinforced carbon composite material substrate is placed in a glassy carbon reaction vessel, and liquid gallium and solid as an alloy flux are placed on the first carbon fiber reinforced carbon composite material substrate. Of nickel was placed. The nickel ratio in the alloy flux is 1 wt% (Ga: Ni = 99: 1), 3 wt% (Ga: Ni = 97: 3), 10 wt% (Ga: Ni = 90: 10), respectively. We prepared what was adjusted to be. For comparison, a 100% gallium flux not containing nickel was also prepared. Next, a second carbon fiber reinforced carbon composite material substrate was placed on the alloy flux.

第3の手順として、上記で用意した反応容器を電気炉にセットした後、真空までポンプで排気した。
次いで、系内の揮発性不純物を除去する目的で、室温からさらに、ガリウムとニッケルを溶融し均一な合金にする目的で、1300℃まで120分掛けて加熱して60分間同温度を保持した後、700℃まで60分間掛けて冷却した。その後、700℃から1300℃まで60分間掛けて加熱した後、1300℃から700℃まで60分掛けて冷却した。この1300℃加熱・700℃冷却を合計10回繰り返した。この操作は多核発生を抑制し、グラフェン・グラファイト膜が2次元面内で広域に成長することを促進するためである。最後に、自然放熱で室温まで冷却した。
なお、液相成長前後でフラックス重量を比較したところ、フラックス中へのニッケル添加により、フラックス中のガリウムの蒸散が抑制されることが確認された。
As a third procedure, the reaction vessel prepared above was set in an electric furnace and then evacuated to a vacuum.
Then, for the purpose of removing volatile impurities in the system, after further heating from 1 to 120 ° C. for 120 minutes and maintaining the same temperature for 60 minutes for the purpose of further melting gallium and nickel to form a uniform alloy. And cooled to 700 ° C. for 60 minutes. Then, after heating for 60 minutes from 700 degreeC to 1300 degreeC, it cooled over 1 hour from 1300 degreeC to 700 degreeC. This 1300 ° C. heating and 700 ° C. cooling was repeated 10 times in total. This operation is to suppress the generation of polynuclear and promote the growth of the graphene / graphite film over a wide area in a two-dimensional plane. Finally, it cooled to room temperature by natural heat dissipation.
In addition, when the flux weight was compared before and after liquid phase growth, it was confirmed that the transpiration of gallium in the flux was suppressed by adding nickel to the flux.

第4の手順として、基板から合金フラックスを除去した。室温において、合金フラックスはニッケル比率が1重量%以下でほぼ液体、3重量%から10重量%までの範囲では液体のガリウム中に固体の金属化合物(GaNi)が分散している状態であった。従って、図6の工程に従い、ガリウム残渣を完全に取り除くために120℃の塩酸中で基板を30分間浸漬した。次いで、水、アセトン、イソプロピルアルコールの順で基板を洗浄し、窒素ブローで乾燥させた。また、必要に応じて、基板を30分間、200℃で加熱して水、溶媒などを除去した。 As a fourth procedure, the alloy flux was removed from the substrate. At room temperature, the alloy flux is almost liquid with a nickel ratio of 1% by weight or less, and in the range from 3% to 10% by weight, a solid metal compound (Ga 4 Ni) is dispersed in liquid gallium. It was. Therefore, according to the process of FIG. 6, the substrate was immersed in hydrochloric acid at 120 ° C. for 30 minutes in order to completely remove the gallium residue. Next, the substrate was washed in the order of water, acetone, and isopropyl alcohol, and dried by blowing nitrogen. Further, if necessary, the substrate was heated at 200 ° C. for 30 minutes to remove water, solvent, and the like.

次に、本実施例の結果について説明する。   Next, the results of this example will be described.

図8を参照すると、(a)がガリウムのみ、(b)、(c)、(d)がガリウム・ニッケル合金フラックスを用いた液相成長法により製造されたグラフェン・グラファイト膜被覆炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像である。   Referring to FIG. 8, (a) is gallium only, (b), (c), and (d) are graphene / graphite film coated carbon fiber reinforced carbon produced by a liquid phase growth method using a gallium-nickel alloy flux. It is an optical microscope image of a composite material.

(a)のフラックスがガリウムのみの場合、加熱・冷却の繰り返し効果により、グラフェン・グラファイト結晶サイズは10μm程度と、比較例(図7(c)参照)と比較して大きくなるものの、グラフェン・グラファイト膜の成長は疎密が見られ、膜厚は平均50nmと100nmに達しない。   When the flux of (a) is only gallium, the graphene / graphite crystal size is about 10 μm, which is larger than that of the comparative example (see FIG. 7C) due to repeated heating and cooling effects. The growth of the film is sparse and dense, and the average film thickness does not reach 50 nm and 100 nm.

一方、(b)のフラックスがニッケル比率1重量%であるガリウム・ニッケル合金の場合、グラフェン・グラファイト結晶の密度が増し、膜厚は平均100nmと目標値を達成する。さらに合金フラックス中のニッケル比率を増加させると、ニッケル比率がそれぞれ3重量%、10重量%であるガリウム・ニッケル合金フラックスを用いた場合の(c)、(d)が示すように、グラフェン・グラファイト結晶の密度が更に増加して行き、最終的に、合金フラックス中のニッケル比率が10重量%ではグラフェン・グラファイト膜が基板全面を覆うようになる。グラフェン・グラファイト膜の平均膜厚は、それぞれ(c)、(d)で、300nm、1μmである。なお、グラフェン・グラファイト膜の膜厚は合金フラックス中のニッケル比率の増加関数となる。また(b)、(c)、(d)とも表面に炭化物の析出は見られない。   On the other hand, when the flux of (b) is a gallium-nickel alloy with a nickel ratio of 1% by weight, the density of graphene / graphite crystals increases and the film thickness reaches an average value of 100 nm. Further, when the nickel ratio in the alloy flux is increased, as shown in (c) and (d) in the case of using a gallium-nickel alloy flux whose nickel ratio is 3 wt% and 10 wt%, respectively, graphene graphite The density of the crystals further increases, and finally, when the nickel ratio in the alloy flux is 10% by weight, the graphene / graphite film covers the entire surface of the substrate. The average film thicknesses of the graphene / graphite films are 300 nm and 1 μm in (c) and (d), respectively. The film thickness of the graphene / graphite film is an increasing function of the nickel ratio in the alloy flux. In addition, no precipitation of carbide is observed on the surfaces of (b), (c), and (d).

最後に、本実施例の結論を述べる。   Finally, the conclusion of this example will be described.

以上、本実施例が示すように、フラックス中へのニッケル添加は、ガリウム蒸散の抑制に加え、グラフェン・グラファイト膜の厚膜化に顕著な効果があることが確認される。合金フラックス中のニッケル比率が1重量%での時、グラフェン・グラファイト膜の膜厚は100nmに達する。この傾向は合金フラックス中に添加する遷移金属が鉄、コバルトなどの場合も同様である。従って、条件C、すなわち、グラファイト膜の膜厚が100nm以上と遷移金属添加の効果が顕著となる合金中の遷移金属比率の下限は1重量%と決定される。
(実施例2)
本実施例では、上記に説明した条件C、すなわち、加熱時に典型元素金属と遷移金属の合金フラックス中に溶解した炭素が冷却時に遷移金属と化合した炭化物として析出しない遷移金属比率の上限、ならびに、条件C、すなわち、典型元素金属添加による剥離性が担保される合金フラックス中の遷移金属比率の上限を決定する目的で、合金フラックスを用いた液相成長法により、炭素繊維強化炭素複合材料をグラフェン・グラファイト膜で被覆した結果について述べる。ここでは、ここでは、ガリウム・鉄合金をフラックスとして用いた場合を説明する。
As described above, as shown in this example, it is confirmed that the addition of nickel to the flux has a remarkable effect on the thickening of the graphene / graphite film in addition to the suppression of gallium transpiration. When the nickel ratio in the alloy flux is 1% by weight, the thickness of the graphene / graphite film reaches 100 nm. This tendency is the same when the transition metal added to the alloy flux is iron, cobalt, or the like. Therefore, the lower limit of the condition C 3 , that is, the transition metal ratio in the alloy in which the effect of the transition metal addition becomes remarkable when the film thickness of the graphite film is 100 nm or more is determined to be 1% by weight.
(Example 2)
In this example, the above-described condition C 1 , that is, the upper limit of the transition metal ratio in which carbon dissolved in the alloy flux of the typical element metal and the transition metal during heating does not precipitate as a carbide combined with the transition metal during cooling, and In order to determine the upper limit of the transition metal ratio in the alloy flux in which the releasability due to the addition of the typical element metal is ensured under the condition C 2 , the carbon fiber reinforced carbon composite material is obtained by a liquid phase growth method using the alloy flux. The results of coating with a graphene / graphite film will be described. Here, a case where gallium / iron alloy is used as a flux will be described.

製造は図6示す製造方法の工程に従った。具体的な手順は以下の通りである。   Manufacture followed the process of the manufacturing method shown in FIG. The specific procedure is as follows.

第1の手順として、表面研磨した炭素繊維強化炭素複合材料基板を炭素源・被覆対象物として、2枚用意した。   As a first procedure, two surface-polished carbon fiber reinforced carbon composite material substrates were prepared as carbon sources / covering objects.

第2の手順として、1枚目の炭素繊維強化炭素複合材料基板をガラス状炭素製の反応容器に納め、1枚目の炭素繊維強化炭素複合材料基板上に、合金フラックスとして液体のガリウムと固体の鉄を配置した。なお、合金フラックス中の鉄比率は、それぞれ、20重量%(Ga:Fe=80:20)、30重量%(Ga:Fe=70:30)、40重量%(Ga:Fe=60:40)、50重量%(Ga:Fe=50:50)になるように調整した。次いで、合金フラックス上に、2枚目の炭素繊維強化炭素複合材料基板を配置した。   As a second procedure, the first carbon fiber reinforced carbon composite material substrate is placed in a glassy carbon reaction vessel, and liquid gallium and solid as an alloy flux are placed on the first carbon fiber reinforced carbon composite material substrate. Arranged iron. The iron ratio in the alloy flux is 20% by weight (Ga: Fe = 80: 20), 30% by weight (Ga: Fe = 70: 30), and 40% by weight (Ga: Fe = 60: 40), respectively. 50% by weight (Ga: Fe = 50: 50). Next, a second carbon fiber reinforced carbon composite material substrate was placed on the alloy flux.

第3の手順として、上記で用意した反応容器を電気炉にセットした後、真空までポンプで排気した。次いで、系内の揮発性不純物を除去する目的で、室温から300℃まで加熱して60分間同温度を保持した。さらに、ガリウムと鉄を溶融し均一な合金にする目的で、1300℃まで120分掛けて加熱して60分間同温度を保持した後、700℃まで60分間掛けて冷却した。その後、700℃から1300℃まで60分間掛けて加熱した後、1300℃から700℃まで60分掛けて冷却した。この1300℃加熱・700℃冷却を合計10回繰り返した後、自然放熱で室温まで冷却した。   As a third procedure, the reaction vessel prepared above was set in an electric furnace and then evacuated to a vacuum. Next, in order to remove volatile impurities in the system, the system was heated from room temperature to 300 ° C. and kept at the same temperature for 60 minutes. Furthermore, for the purpose of melting gallium and iron into a uniform alloy, heating was carried out to 1300 ° C. over 120 minutes and maintained at the same temperature for 60 minutes, and then cooled to 700 ° C. over 60 minutes. Then, after heating for 60 minutes from 700 degreeC to 1300 degreeC, it cooled over 1 hour from 1300 degreeC to 700 degreeC. This 1300 ° C. heating and 700 ° C. cooling was repeated 10 times in total, and then cooled to room temperature by natural heat dissipation.

第4の手順として、基板から合金フラックスを除去した。室温において、合金フラックスは遷移金属比率が20重量%以上で固体であり、この実施例において、どのガリウム・鉄合金フラックスも基板に固着せず自然剥離が可能であった。なお、光学顕微鏡による観察では基板上に合金フラックスの残渣は確認されなかった。   As a fourth procedure, the alloy flux was removed from the substrate. At room temperature, the alloy flux was solid with a transition metal ratio of 20% by weight or more, and in this example, any gallium / iron alloy flux did not adhere to the substrate and could be peeled naturally. In addition, the residue of the alloy flux was not confirmed on the board | substrate by observation with an optical microscope.

次に、本実施例の結果について説明する。   Next, the results of this example will be described.

図9は、ガリウム・鉄合金フラックスを用いた液相成長法により製造されたグラフェン・グラファイト膜被覆炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像である。図9(a)、(b)、(c)、(d)は合金フラックス中の鉄比率が、それぞれ、20重量%(Ga:Fe=80:20)、30重量%(Ga:Fe=70:30)、40重量%(Ga:Fe=60:40)、50重量%(Ga:Fe=50:50)の場合である。   FIG. 9 is an optical microscope image of a graphene / graphite film-coated carbon fiber reinforced carbon composite produced by a liquid phase growth method using a gallium / iron alloy flux. 9 (a), (b), (c), and (d), the iron ratio in the alloy flux is 20 wt% (Ga: Fe = 80: 20) and 30 wt% (Ga: Fe = 70, respectively). : 30), 40% by weight (Ga: Fe = 60: 40), and 50% by weight (Ga: Fe = 50: 50).

(a)の合金フラックス中の鉄比率が20重量%の場合、厚膜で一枚板のグラフェン・グラファイト膜により、基板表面全体が完全に被覆されている。グラフェン・グラファイト膜の2次元的な広がりは数十μm四方に及び、その平均膜厚は2μmである。基板表面に元々存在する空隙もグラフェン・グラファイト膜で穴埋めされ、グラフェン・グラファイト膜は基板と緻密に密着し、一体化している。   When the iron ratio in the alloy flux of (a) is 20% by weight, the entire surface of the substrate is completely covered with a single sheet of graphene / graphite film. The two-dimensional spread of the graphene / graphite film extends to several tens of μm square, and the average film thickness is 2 μm. The voids originally present on the surface of the substrate are filled with the graphene / graphite film, and the graphene / graphite film is closely adhered to and integrated with the substrate.

一方、(b)の合金フラックス中の鉄比率が30重量%の場合、表面は平滑でラフニングは観察されないものの、グラフェン・グラファイト膜は全く形成されていない。また、炭化物(FeC)の痕跡も表面に存在しない。この観察結果は、鉄比率が30重量%のフラックスの場合、その炭素溶解度がグラフェン・グラファイト形成に対して多大過ぎることを意味する。その原因は、合金フラックス中でグラファイト化と炭化物化が競合しており、溶解炭素濃度が高い場合、グラフェン・グラファイト形成ではなく、炭化物形成が優先するためと考えらえる。炭化物が表面に見られないのは、合金フラックス内部に炭化物が滞留しているためと考えられる。 On the other hand, when the iron ratio in the alloy flux of (b) is 30% by weight, the surface is smooth and roughening is not observed, but no graphene / graphite film is formed. Further, there is no trace of carbide (Fe 3 C) on the surface. This observation result means that in the case of a flux with an iron ratio of 30% by weight, its carbon solubility is too great for graphene / graphite formation. The reason for this is thought to be that graphitization and carbide formation compete in the alloy flux, and when the dissolved carbon concentration is high, the formation of carbide has priority over the formation of graphene and graphite. The reason why the carbide is not seen on the surface is considered to be that the carbide stays inside the alloy flux.

(c)の鉄比率が40重量%の場合、(d)の50重量%の場合でも、グラフェン・グラファイト膜の成長は全く見られない。しかも、基板表面に存在する炭素繊維の内部がえぐられたように浸食されてしまう。この観察結果は、上記解釈と符合し、基板表面の炭素が合金フラックス中に炭化物として取り込まれたまま排出されないためと考えられる。以上の結果から、上限値Cは20重量%と決定できる。 When the iron ratio in (c) is 40% by weight, no graphene / graphite film growth is observed even in the case of 50% by weight in (d). Moreover, the inside of the carbon fiber existing on the substrate surface is eroded as if it was removed. This observation result agrees with the above interpretation, and it is considered that carbon on the substrate surface is not discharged while being taken in as carbide in the alloy flux. From the above results, the upper limit value C 1 may be determined as 20 wt%.

なお、合金フラックス中の鉄比率が50重量%より大きくなるにつれ、合金フラックスと基板の分離が徐々に困難になり、剥離性が喪失して行くことが別途実験から分かっている。この結果から、上限値Cは50重量%と決定できる。 In addition, it is known from a separate experiment that as the iron ratio in the alloy flux becomes larger than 50% by weight, separation of the alloy flux and the substrate becomes gradually difficult and the peelability is lost. From this result, the upper limit value C 2 may be determined as 50 wt%.

最後に、本実施例の結論を述べる。   Finally, the conclusion of this example will be described.

ガリウム・鉄合金フラックスの場合、加熱時に典型元素金属と遷移金属の合金フラックス中に溶解した炭素が冷却時に遷移金属と化合した炭化物として析出しない遷移金属比率は20重量%以下であること、典型元素金属添加による剥離性が担保される合金フラックス中の遷移金属比率は50重量%以下であることが結論付けられる。
(実施例3)
本実施例では、上記に説明した条件C、すなわち、加熱時に典型元素金属と遷移金属の合金フラックス中に溶解した炭素が冷却時に遷移金属と化合した炭化物として析出しない遷移金属比率の上限、ならびに、条件C、すなわち、典型元素金属添加による剥離性が担保される合金フラックス中の遷移金属比率の上限を決定する目的で、合金フラックスを用いた液相成長法により、炭素繊維強化炭素複合材料をグラフェン・グラファイト膜で被覆した結果について述べる。ここでは、ここでは、ガリウム・コバルト合金をフラックスとして用いた場合を説明する。
In the case of a gallium / iron alloy flux, the ratio of transition metal in which the carbon dissolved in the alloy flux of the typical element metal and transition metal upon heating does not precipitate as a carbide combined with the transition metal upon cooling is 20% by weight or less. It is concluded that the transition metal ratio in the alloy flux that ensures the peelability due to the addition of metal is 50% by weight or less.
(Example 3)
In this example, the above-described condition C 1 , that is, the upper limit of the transition metal ratio in which carbon dissolved in the alloy flux of the typical element metal and the transition metal during heating does not precipitate as a carbide combined with the transition metal during cooling, and In order to determine the upper limit of the transition metal ratio in the alloy flux in which the releasability due to the addition of the typical element metal is ensured under the condition C 2 , the carbon fiber reinforced carbon composite material is obtained by a liquid phase growth method using the alloy flux. The results of coating with a graphene / graphite film will be described. Here, a case where a gallium-cobalt alloy is used as a flux will be described.

製造は図6示す製造方法の工程に従った。具体的手順は実施例2と同様である。   Manufacture followed the process of the manufacturing method shown in FIG. The specific procedure is the same as in the second embodiment.

次に、本実施例の結果について説明する。   Next, the results of this example will be described.

図10は、ガリウム・コバルト合金フラックスを用いた液相成長法により製造されたグラフェン・グラファイト膜被覆炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像である。図10(a)、(b)、(c)、(d)は合金フラックス中のコバルト比率が、それぞれ、20重量%(Ga:Co=80:20)、30重量%(Ga:Co=70:30)、40重量%(Ga:Co=60:40)、50重量%(Ga:Co=50:50)の場合である。   FIG. 10 is an optical microscope image of a graphene / graphite film-coated carbon fiber reinforced carbon composite material produced by a liquid phase growth method using a gallium / cobalt alloy flux. 10 (a), (b), (c), and (d), the cobalt ratio in the alloy flux is 20 wt% (Ga: Co = 80: 20) and 30 wt% (Ga: Co = 70, respectively). : 30), 40% by weight (Ga: Co = 60: 40), and 50% by weight (Ga: Co = 50: 50).

(a)、(b)の合金フラックス中のコバルト比率が、それぞれ20重量%、30重量%の場合、両者とも厚膜で一枚板のグラフェン・グラファイト膜により、基板表面全体が完全に被覆されている。両者のグラフェン・グラファイト膜の2次元的な広がりは数十μm四方に及び、その平均膜厚は、それぞれ、2μm、3μmである。基板表面に元々存在する空隙もグラフェン・グラファイト膜で穴埋めされ、両者ともグラフェン・グラファイト膜は基板と緻密に密着し、一体化している。   When the cobalt ratios in the alloy fluxes (a) and (b) are 20% by weight and 30% by weight, respectively, the entire substrate surface is completely covered with a single sheet of graphene / graphite film. ing. The two-dimensional spread of the two graphene / graphite films extends to several tens of μm square, and the average film thicknesses are 2 μm and 3 μm, respectively. The voids originally present on the surface of the substrate are filled with the graphene / graphite film, and both the graphene / graphite films are closely adhered to and integrated with the substrate.

一方、(c)の合金フラックス中のコバルト比率が40重量%の場合、表面は平滑でラフニングは観察されないものの、グラフェン・グラファイト膜は全く形成されていない。また、炭化コバルトの痕跡も表面に存在しない。
この観察結果は、コバルト比率が40重量%の合金フラックス場合、その炭素溶解度がグラフェン・グラファイト形成に対して多大過ぎることを意味する。その原因は、合金フラックス中でグラファイト化と炭化物化が競合しており、溶解炭素濃度が高い場合、グラフェン・グラファイト形成ではなく、炭化物形成が優先するためと考えらえる。炭化物が表面に見られないのは、合金フラックス内部に炭化物が析出するからと考えられる。
On the other hand, when the cobalt ratio in the alloy flux of (c) is 40% by weight, the surface is smooth and roughening is not observed, but no graphene / graphite film is formed. Also, there is no trace of cobalt carbide on the surface.
This observation result means that in the case of an alloy flux having a cobalt ratio of 40% by weight, its carbon solubility is too great for graphene / graphite formation. The reason for this is thought to be that graphitization and carbide formation compete in the alloy flux, and when the dissolved carbon concentration is high, the formation of carbide has priority over the formation of graphene and graphite. The reason why the carbide is not seen on the surface is considered to be that the carbide is precipitated inside the alloy flux.

(d)の合金フラックス中のコバルト比率が50重量%の場合でもグラフェン・グラファイト膜の成長は全く見られない。しかも、基板表面に存在する炭素繊維の内部がえぐられたように浸食されてしまう。この観察結果は、上記解釈と符合し、基板表面の炭素が合金フラックス中に炭化物として取り込まれたまま排出されないためと考えられる。以上の結果から、上限値Cは30重量%と決定できる。 Even when the cobalt ratio in the alloy flux of (d) is 50% by weight, no growth of the graphene / graphite film is observed. Moreover, the inside of the carbon fiber existing on the substrate surface is eroded as if it was removed. This observation result agrees with the above interpretation, and it is considered that carbon on the substrate surface is not discharged while being taken in as carbide in the alloy flux. From the above results, the upper limit value C 1 may be determined as 30 wt%.

なお、鉄添加合金フラックスの場合と同様に、合金フラックス中のコバルト比率が50重量%より大きくなるにつれ、合金フラックスと基板の分離が徐々に困難になり、剥離性が喪失して行く。この結果から、上限値Cは50重量%と決定できる。 As in the case of the iron-added alloy flux, as the cobalt ratio in the alloy flux exceeds 50% by weight, the separation of the alloy flux and the substrate becomes gradually difficult, and the peelability is lost. From this result, the upper limit value C 2 may be determined as 50 wt%.

最後に、本実施例の結論を述べる。   Finally, the conclusion of this example will be described.

ガリウム・コバルト合金フラックスの場合、加熱時に典型元素金属と遷移金属の合金フラックス中に溶解した炭素が冷却時に遷移金属と化合した炭化物として析出しない遷移金属比率は30重量%以下であること、典型元素金属添加による剥離性が担保される合金フラックス中の遷移金属比率は50重量%以下であることが結論付けられる。
(実施例4)
本実施例では、上記に説明した条件C、すなわち、加熱時に典型元素金属と遷移金属の合金フラックス中に溶解した炭素が冷却時に遷移金属と化合した炭化物として析出しない遷移金属比率の上限、ならびに、条件C、すなわち、典型元素金属添加による剥離性が担保される合金フラックス中の遷移金属比率の上限を決定する目的で、合金フラックスを用いた液相成長法により、炭素繊維強化炭素複合材料をグラフェン・グラファイト膜で被覆した結果について述べる。ここでは、ここでは、ガリウム・ニッケル合金をフラックスとして用いた場合を説明する。
製造は図6示す製造方法の工程に従った。具体的手順は実施例1,2,3と同様である。
In the case of gallium-cobalt alloy flux, the percentage of transition metal in which carbon dissolved in the alloy flux of typical element metal and transition metal during heating does not precipitate as carbide combined with transition metal during cooling is 30% by weight or less, typical element It is concluded that the transition metal ratio in the alloy flux that ensures the peelability due to the addition of metal is 50% by weight or less.
Example 4
In this example, the above-described condition C 1 , that is, the upper limit of the transition metal ratio in which carbon dissolved in the alloy flux of the typical element metal and the transition metal during heating does not precipitate as a carbide combined with the transition metal during cooling, and In order to determine the upper limit of the transition metal ratio in the alloy flux in which the releasability due to the addition of the typical element metal is ensured under the condition C 2 , the carbon fiber reinforced carbon composite material is obtained by a liquid phase growth method using the alloy flux. The results of coating with a graphene / graphite film will be described. Here, a case where a gallium-nickel alloy is used as a flux will be described.
Manufacture followed the process of the manufacturing method shown in FIG. The specific procedure is the same as in Examples 1, 2, and 3.

次に、本実施例の結果について説明する。   Next, the results of this example will be described.

図11は、ガリウム・ニッケル合金フラックスを用いた液相成長法により製造されたグラフェン・グラファイト膜被覆炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像である。
図11(a)、(b)、(c)、(d)は合金フラックス中のニッケル比率が、それぞれ、20重量%(Ga:Ni=80:20)、30重量%(Ga:Ni=70:30)、40重量%(Ga:Ni=60:40)、50重量%(Ga:Ni=50:50)の場合である。
FIG. 11 is an optical microscope image of a graphene / graphite film-coated carbon fiber reinforced carbon composite produced by a liquid phase growth method using a gallium / nickel alloy flux.
11 (a), (b), (c), and (d), the nickel ratio in the alloy flux is 20 wt% (Ga: Ni = 80: 20) and 30 wt% (Ga: Ni = 70, respectively). : 30), 40% by weight (Ga: Ni = 60: 40), and 50% by weight (Ga: Ni = 50: 50).

(a)、(b)、(c)の合金フラックス中のニッケル比率が、それぞれ20重量%、30重量%、40重量%の場合、3者とも厚膜で一枚板のグラフェン・グラファイト膜により、基板表面全体が完全に被覆されている。3者のグラフェン・グラファイト膜の2次元的な広がりは数十μm四方に及び、その平均膜厚は、それぞれ、2μm、3μm、4μmである。基板表面に元々存在する空隙もグラフェン・グラファイト膜で穴埋めされ、3者ともグラフェン・グラファイト膜は基板と緻密に密着し、一体化している。   When the nickel ratio in the alloy flux of (a), (b), and (c) is 20% by weight, 30% by weight, and 40% by weight, respectively, all three are made of a single sheet of graphene / graphite film The entire substrate surface is completely covered. The three-dimensional spread of the three graphene / graphite films extends to several tens of μm square, and the average film thicknesses are 2 μm, 3 μm, and 4 μm, respectively. The voids originally present on the surface of the substrate are filled with the graphene / graphite film, and the graphene / graphite film is in close contact with and integrated with the substrate.

一方、(d)の合金フラックス中のコバルト比率が50重量%の場合、表面は平滑でラフニングは観察されないものの、グラフェン・グラファイト膜は全く形成されていない。また、炭化物の痕跡も表面に存在しない。
この観察結果は、ニッケル比率が50重量%の合金フラックスの場合、その炭素溶解度がグラフェン・グラファイト形成に対して多大過ぎることを意味する。その原因は、合金フラックス中でグラファイト化と炭化物化が競合しており、溶解炭素濃度が高い場合、グラフェン・グラファイト形成ではなく、炭化物形成が優先するためと考えらえる。炭化物が表面に見られないのは、合金フラックス内部に準安定な炭化物が析出するからと考えられる。以上の結果から、上限値Cは40重量%と決定できる。
On the other hand, when the cobalt ratio in the alloy flux of (d) is 50% by weight, the surface is smooth and roughening is not observed, but no graphene / graphite film is formed. Also, there are no traces of carbides on the surface.
This observation means that in the case of an alloy flux having a nickel ratio of 50% by weight, its carbon solubility is too great for graphene / graphite formation. The reason for this is thought to be that graphitization and carbide formation compete in the alloy flux, and when the dissolved carbon concentration is high, the formation of carbide has priority over the formation of graphene and graphite. The reason why the carbide is not observed on the surface is considered to be that metastable carbide precipitates inside the alloy flux. From the above results, the upper limit value C 1 may be determined as 40 wt%.

なお、鉄添加、コバルト添加合金フラックスの場合と同様に、合金フラックス中のニッケル比率が50重量%より大きくなるにつれ、合金フラックスと基板の分離が徐々に困難になり、剥離性が喪失して行く。この結果から、上限値Cは50重量%と決定できる。 As in the case of the iron-added or cobalt-added alloy flux, as the nickel ratio in the alloy flux becomes larger than 50% by weight, it becomes difficult to separate the alloy flux from the substrate and the peelability is lost. . From this result, the upper limit value C 2 may be determined as 50 wt%.

最後に、本実施例の結論を述べる。   Finally, the conclusion of this example will be described.

ガリウム・ニッケル合金フラックスの場合、加熱時に典型元素金属と遷移金属の合金フラックス中に溶解した炭素が冷却時に遷移金属と化合した炭化物として析出しない遷移金属比率は40重量%以下であること、典型元素金属添加による剥離性が担保される合金フラックス中の遷移金属比率は50重量%以下であることが結論付けられる。   In the case of a gallium-nickel alloy flux, the ratio of transition metal in which carbon dissolved in the alloy flux of typical element metal and transition metal upon heating does not precipitate as carbide combined with transition metal upon cooling is 40% by weight or less, typical element It is concluded that the transition metal ratio in the alloy flux that ensures the peelability due to the addition of metal is 50% by weight or less.

なお、他の遷移金属において、条件Cが40重量%を超えるものは見つからず、また、条件Cは50重量%以下であった。 Note that in other transition metals, not found what condition C 1 is more than 40 wt%, and the condition C 2 were 50 wt% or less.

従って、一般的に、条件Cにおける典型元素金属・遷移金属合金フラックス中の遷移金属比率の上限は40重量%と結論付けられる。
(実施例5)
本実施例では、100nm以上の膜厚を持つ、各種ナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜によって炭素材料を被覆することが可能であることを証明する。
Therefore, it is generally concluded that the upper limit of the transition metal ratio in the typical element metal / transition metal alloy flux under the condition C is 40% by weight.
(Example 5)
In this example, it is proved that a carbon material can be covered with a composite film of various nanocarbons and graphene / graphite having a film thickness of 100 nm or more.

製造は図6に示す製造方法の工程に従った。具体的な手順は以下の通りである。   Manufacture followed the process of the manufacturing method shown in FIG. The specific procedure is as follows.

第1の手順として、ナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜のナノカーボン源として、カーボンナノホーン、単層カーボンナノチューブ、酸化グラフェン、ナノダイヤモンドの水懸濁液を用意した。
それぞれの懸濁液濃度は、0.1mg/ml、1mg/ml、1mg/ml、5mg/mlである。スピンコート法もしくは滴下法を用いて、表面研磨した炭素繊維強化炭素複合材料基板上に、それぞれの懸濁液を塗布した。塗布膜の平均膜厚は、それぞれ、カーボンナノホーンの場合が100nm、単層カーボンナノチューブの場合が200nm、酸化グラフェンの場合が400nm、ナノダイヤモンドの場合が1μmである。
As a first procedure, an aqueous suspension of carbon nanohorn, single-walled carbon nanotube, graphene oxide, and nanodiamond was prepared as a nanocarbon source of a composite film of nanocarbon and graphene / graphite.
The concentration of each suspension is 0.1 mg / ml, 1 mg / ml, 1 mg / ml, 5 mg / ml. Each suspension was applied onto a surface-ground carbon fiber reinforced carbon composite substrate using a spin coating method or a dropping method. The average film thickness of the coating film is 100 nm for carbon nanohorns, 200 nm for single-walled carbon nanotubes, 400 nm for graphene oxide, and 1 μm for nanodiamonds, respectively.

第2に、ナノカーボン塗布基板をガラス状炭素製の反応容器に納め、ナノカーボン塗布基板上に、合金フラックスとして液体のガリウムと固体のニッケルを配置した。なお、合金フラックス中のニッケル比率は10重量%(Ga:Ni=90:10)である。次いで、合金フラックス上に、炭素源として上述の炭素繊維強化炭素複合材料を配置した。   Second, the nanocarbon coated substrate was placed in a glassy carbon reaction vessel, and liquid gallium and solid nickel were placed on the nanocarbon coated substrate as alloy flux. The nickel ratio in the alloy flux is 10% by weight (Ga: Ni = 90: 10). Next, the above-described carbon fiber reinforced carbon composite material was disposed as a carbon source on the alloy flux.

第3の手順として、上記で用意した反応容器を電気炉にセットした後、真空までポンプで排気した。次いで、系内の揮発性不純物を除去する目的で、室温から300℃まで加熱して60分間同温度を保持した。さらに、ガリウムとニッケルを溶融し均一な合金にする目的で、1300℃まで120分掛けて加熱して60分間同温度を保持した後、700℃まで60分間掛けて冷却した。その後、700℃から1300℃まで60分間掛けて加熱した後、1300℃から700℃まで60分掛けて冷却した。最後に、700℃から室温まで自然放熱で冷却した。   As a third procedure, the reaction vessel prepared above was set in an electric furnace and then evacuated to a vacuum. Next, in order to remove volatile impurities in the system, the system was heated from room temperature to 300 ° C. and kept at the same temperature for 60 minutes. Furthermore, for the purpose of melting gallium and nickel into a uniform alloy, heating was carried out to 1300 ° C. over 120 minutes and maintained at the same temperature for 60 minutes, and then cooled to 700 ° C. over 60 minutes. Then, after heating for 60 minutes from 700 degreeC to 1300 degreeC, it cooled over 1 hour from 1300 degreeC to 700 degreeC. Finally, it cooled by natural heat radiation from 700 degreeC to room temperature.

第4の手順として、基板から合金フラックスを除去した。室温において、合金フラックスは液体のガリウム中に固体の金属化合物(GaNi)が分散している状態であった。従って、図6の工程に従い、ガリウム残渣を完全に取り除くために120℃の塩酸中で基板を30分間浸漬した。次いで、水、アセトン、イソプロピルアルコールの順で基板を洗浄し、窒素ブローで乾燥させた。また、必要に応じて、基板を30分間、200℃で加熱して水、溶媒などを除去した。 As a fourth procedure, the alloy flux was removed from the substrate. At room temperature, the alloy flux was in a state where a solid metal compound (Ga 4 Ni) was dispersed in liquid gallium. Therefore, according to the process of FIG. 6, the substrate was immersed in hydrochloric acid at 120 ° C. for 30 minutes in order to completely remove the gallium residue. Next, the substrate was washed in the order of water, acetone, and isopropyl alcohol, and dried by blowing nitrogen. Further, if necessary, the substrate was heated at 200 ° C. for 30 minutes to remove water, solvent, and the like.

次に、本実施例の結果について説明する。   Next, the results of this example will be described.

図12を参照すると、ガリウム・ニッケル合金フラックスを用いた液相成長法により製造されたナノカーボンとグラフェン・グラファイト膜の複合化膜被覆の炭素繊維強化炭素複合材料の光学顕微鏡像である。ナノカーボンの種類は、(a)カーボンナノホーン、(b)単層カーボンナノチューブ、(c)酸化グラフェン、(d)ナノダイヤモンドである。それぞれのナノカーボンは液相成長で形成されるグラフェン・グラファイトと炭素−炭素の共有結合を介して融合・一体化している。それぞれの平均膜厚は、300nm、400nm、600nm、1.2μmであり、それぞれ、液相成長前から膜厚は約200nm増加している。この膜厚の増分は、複合化膜中のグラフェン・グラファイトが主に炭素源として合金フラックス上に配置した炭素繊維強化炭素複合材料由来の炭素から成長したということで説明可能である。さらに、これら複合化膜ナノカーボンを製膜した炭素繊維強化炭素複合材料とも一体化している。なお、別途の測定から、これら複合化膜は優れた機械的特性、化学的特性、電子的特性、熱特性を兼ね備えていることが判明している。   Referring to FIG. 12, it is an optical microscope image of a carbon fiber reinforced carbon composite material with a composite coating of nanocarbon and graphene / graphite film produced by a liquid phase growth method using a gallium-nickel alloy flux. The types of nanocarbon are (a) carbon nanohorn, (b) single-walled carbon nanotube, (c) graphene oxide, and (d) nanodiamond. Each nanocarbon is fused and integrated through covalent bonds between graphene and graphite formed by liquid phase growth and carbon-carbon. The average film thickness is 300 nm, 400 nm, 600 nm, and 1.2 μm, respectively, and the film thickness is increased by about 200 nm from before the liquid phase growth. This increase in film thickness can be explained by the fact that the graphene / graphite in the composite film grew mainly from carbon derived from a carbon fiber reinforced carbon composite material disposed on the alloy flux as a carbon source. Furthermore, it is also integrated with the carbon fiber reinforced carbon composite material obtained by forming the composite film nanocarbon. It has been found from separate measurements that these composite films have excellent mechanical properties, chemical properties, electronic properties, and thermal properties.

最後に、本実施例の結論を述べる。   Finally, the conclusion of this example will be described.

以上、本実施例の結果より、100nm以上の膜厚を持つ、各種ナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜によって炭素材料を被覆することが可能であることを証明される。
(実施例6)
本実施例では、100nm以上の膜厚を持つ、単層カーボンナノチューブとグラフェン・グラファイトの複合化膜によって、様々な耐熱材料を被覆することが可能であることを証明する。
As described above, the results of this example prove that it is possible to coat a carbon material with a composite film of various nanocarbons and graphene / graphite having a film thickness of 100 nm or more.
(Example 6)
In this example, it is proved that various heat resistant materials can be coated with a composite film of single-walled carbon nanotubes and graphene / graphite having a thickness of 100 nm or more.

製造は図6に示す製造方法の工程に従った。具体的な手順は以下の通りである。   Manufacture followed the process of the manufacturing method shown in FIG. The specific procedure is as follows.

第1の手順として、ナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜のナノカーボン源として、単層カーボンナノチューブの水懸濁液を用意した。それぞれの懸濁液濃度は1mg/mlである。スピンコーターを用いて、単結晶サファイア:Al(0001)基板、単結晶サファイア:Al(1−100)基板、単結晶石英:SiO(0001)、単結晶炭化ケイ素:6H−SiC(0001)基板上に、上記懸濁液を塗布した。塗布膜の平均膜厚は、それぞれ、100nm、100nm、200nm、200nmである。 As a first procedure, an aqueous suspension of single-walled carbon nanotubes was prepared as a nanocarbon source of a composite film of nanocarbon and graphene / graphite. Each suspension concentration is 1 mg / ml. Using a spin coater, single crystal sapphire: Al 2 O 3 (0001) substrate, single crystal sapphire: Al 2 O 3 (1-100) substrate, single crystal quartz: SiO 2 (0001), single crystal silicon carbide: 6H -The said suspension was apply | coated on the SiC (0001) board | substrate. The average film thickness of the coating film is 100 nm, 100 nm, 200 nm, and 200 nm, respectively.

第2の手順として、それぞれの単層カーボンナノチューブ塗布基板をガラス状炭素製の反応容器に納め、単層カーボンナノチューブ塗布基板上にそれぞれ、合金フラックスとして液体のガリウムと固体のニッケルを配置した。なお、合金フラックス中のニッケル比率は10重量%(Ga:Ni=90:10)である。次いで、合金フラックス上に、補助の炭素源として炭素繊維強化炭素複合材料基板を配置した。   As a second procedure, each single-walled carbon nanotube-coated substrate was placed in a glassy carbon reaction vessel, and liquid gallium and solid nickel were placed as alloy fluxes on the single-walled carbon nanotube-coated substrate, respectively. The nickel ratio in the alloy flux is 10% by weight (Ga: Ni = 90: 10). Next, a carbon fiber reinforced carbon composite material substrate was disposed as an auxiliary carbon source on the alloy flux.

第3の手順として、上記で用意した反応容器を電気炉にセットした後、真空までポンプで排気した。次いで、系内の揮発性不純物を除去する目的で、室温から300℃まで加熱して60分間同温度を保持した。さらに、ガリウムとニッケルを溶融し均一な合金にする目的で、1000℃まで120分掛けて加熱して60分間同温度を保持した後、700℃まで60分間掛けて冷却した。その後、700℃から1000℃まで60分間掛けて加熱した後、1000℃から700℃まで60分掛けて冷却した。その後、700℃から室温まで自然放熱で冷却した。   As a third procedure, the reaction vessel prepared above was set in an electric furnace and then evacuated to a vacuum. Next, in order to remove volatile impurities in the system, the system was heated from room temperature to 300 ° C. and kept at the same temperature for 60 minutes. Further, for the purpose of melting gallium and nickel to form a uniform alloy, heating was performed up to 1000 ° C. over 120 minutes and maintained at the same temperature for 60 minutes, and then cooling down to 700 ° C. over 60 minutes. Thereafter, heating was performed from 700 ° C. to 1000 ° C. over 60 minutes, and then cooling was performed from 1000 ° C. to 700 ° C. over 60 minutes. Then, it cooled by natural heat radiation from 700 degreeC to room temperature.

第4の手順として、基板から合金フラックスを除去した。室温において、合金フラックスは液体のガリウム中に固体の金属化合物(GaNi)が分散している状態であった。従って、図6の工程に従い、ガリウム残渣を完全に取り除くために120℃の塩酸中で基板を30分間浸漬した。次いで、水、アセトン、イソプロピルアルコールの順で基板を洗浄し、窒素ブローで乾燥させた。また、必要に応じて、基板を30分間、200℃で加熱して水、溶媒などを除去した。 As a fourth procedure, the alloy flux was removed from the substrate. At room temperature, the alloy flux was in a state where a solid metal compound (Ga 4 Ni) was dispersed in liquid gallium. Therefore, according to the process of FIG. 6, the substrate was immersed in hydrochloric acid at 120 ° C. for 30 minutes in order to completely remove the gallium residue. Next, the substrate was washed in the order of water, acetone, and isopropyl alcohol, and dried by blowing nitrogen. Further, if necessary, the substrate was heated at 200 ° C. for 30 minutes to remove water, solvent, and the like.

次に、本実施例の結果について説明する。   Next, the results of this example will be described.

図13を参照すると、ガリウム・ニッケル合金フラックスを用いた液相成長法により製造された単層カーボンナノチューブとグラフェン・グラファイト膜複合化膜被覆の各種耐熱材料基板の光学顕微鏡像である。耐熱材料の種類は、(a):Al(0001)、(b):Al(1−100)、(c)SiO(0001)、(d)6H−SiC(0001)である。それぞれの耐熱基板材料上、単層カーボンナノチューブは液相成長で形成されるグラフェン・グラファイトと炭素−炭素の共有結合を介して融合・一体化している。それぞれの平均膜厚は、150nm、150nm、250nm、250nmであり、それぞれ、液相成長前から膜厚は約50nm増加している。この膜厚の増分は、複合化膜中のグラフェン・グラファイトが主に炭素源として合金フラックス上に配置した炭素繊維強化炭素複合材料由来の炭素から成長したということで説明可能である。さらに、これら複合化膜は下地の耐熱材料基板に密着している。なお、別途の測定から、これら複合化膜は優れた機械的特性、化学的特性、電子的特性、熱特性を兼ね備えていることが判明している。 Referring to FIG. 13, there are optical microscope images of various heat-resistant material substrates coated with single-walled carbon nanotubes and a graphene / graphite film composite film produced by a liquid phase growth method using a gallium / nickel alloy flux. The types of heat-resistant materials are (a): Al 2 O 3 (0001), (b): Al 2 O 3 (1-100), (c) SiO 2 (0001), (d) 6H—SiC (0001). It is. On each heat-resistant substrate material, single-walled carbon nanotubes are fused and integrated via a graphene / graphite formed by liquid phase growth and a carbon-carbon covalent bond. The average film thicknesses are 150 nm, 150 nm, 250 nm, and 250 nm, respectively, and the film thicknesses increase by about 50 nm from before the liquid phase growth. This increase in film thickness can be explained by the fact that the graphene / graphite in the composite film grew mainly from carbon derived from a carbon fiber reinforced carbon composite material disposed on the alloy flux as a carbon source. Further, these composite films are in close contact with the underlying heat-resistant material substrate. It has been found from separate measurements that these composite films have excellent mechanical properties, chemical properties, electronic properties, and thermal properties.

最後に、本実施例の結論を述べる。   Finally, the conclusion of this example will be described.

以上、本実施例の結果より、100nm以上の膜厚を持つ、単層カーボンナノチューブとグラフェン・グラファイトの複合化膜によって、様々な耐熱材料を被覆することが可能であることを証明される。   As described above, the results of this example prove that various heat-resistant materials can be coated with a composite film of single-walled carbon nanotubes and graphene / graphite having a thickness of 100 nm or more.

上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
(付記1)
(a)典型元素金属と遷移金属を含む合金を炭素源に接触させ、前記合金を加熱することで、前記合金中に前記炭素源の表面の炭素を溶解させ、
(b)前記合金を冷却することで、前記合金に接触させた対象物の表面にグラフェン・グラファイト膜またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜を析出させる、
ことを特徴とするグラフェン・グラファイト膜またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜の形成方法。
(付記2)
前記グラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜の膜厚が100nm以上である付記1に記載の形成方法。
(付記3)
前記典型元素金属は、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、タリウム(Tl)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも1つを有する、付記1または2に記載の形成方法。
(付記4)
前記遷移元素金属は、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、水銀(Hg)からなる群から選ばれる少なくとも1つを有する、付記1から3のいずれか1項に記載の形成方法。
(付記5)
前記合金中の前記遷移金属の重量比率が1重量%以上40重量%以下である付記1から4のいずれか1項に記載の形成方法。
(付記6)
前記炭素源は、炭素材料、ナノカーボン材料、低分子有機化合物、人工高分子有機化合物、天然高分子有機化合物、炭素を含む無機化合物を有する群から選ばれる少なくとも1つを有し、
前記炭素材料は、アモルファス炭素、ガラス状炭素、結晶性グラファイト、ダイヤモンド、炭素繊維、炭素繊維強化炭素複合材料の内の少なくとも一種を含み、
前記ナノカーボン材料は、カルビン、単層ナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノホーン、酸化グラフェンの内の少なくとも一種を含み、
前記低分子有機化合物は、メタロセン、ナフタレン、アントラセン、ペンタセンの内の少なくとも一種を含み、
前記人工高分子有機化合物は、テフロン、PMMA(ポリメタクリル酸メチル)、ポリエチレンの内の少なくとも一種を含み、
前記天然高分子有機化合物は、タンパク質、核酸、脂質、多糖類の内の少なくとも一種を含み、
前記炭素を含む無機化合物は、炭化ケイ素(SiC)、炭化ホウ素(BC)、炭化アルミニウム(Al)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、炭化ハフニウム(HfC)、炭化バナジウム(VC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化クロム(CrC)、炭化モリブデン(MoC)、炭化タングステン(WC)、窒化炭素(C)、窒化炭素ホウ素(BCN)の内の少なくとも一種を含む、付記1から5のいずれか1項に記載の形成方法。
(付記7)
前記耐熱性材料は、炭素材料、ナノカーボン材料、窒化物、炭化物、フッ化物、雲母(マイカ)、及びダイヤモンドからなる群から選ばれる少なくとも1つを有し、
前記炭素材料は、アモルファス炭素、ガラス状炭素、結晶性グラファイト、ダイヤモンド、炭素繊維、炭素繊維強化炭素複合材料の内の少なくとも一種を含み、
前記ナノカーボン材料は、カルビン、単層ナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノホーン、酸化グラフェンの内の少なくとも一種を含み、
前記酸化物は、石英(SiO)、アルミナやサファイア(Al)、酸化チタン(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ニッケル(NiO)、ジルコニア(ZrO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)の内の少なくとも一種を含み、
前記窒化物は、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化炭素(C)、窒化炭素ホウ素(BCN)の内の少なくとも一種を含み、
前記炭化物は、炭化ケイ素(SiC)、炭化ホウ素(BC)、炭化アルミニウム(Al)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)。炭化ハフニウム(HfC)、炭化バナジウム(VC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化クロム(CrC)、炭化モリブデン(MoC)、炭化タングステン(WC)の内の少なくとも一種を含み、
前記フッ化物は、フッ化バリウム(BaF)、フッ化カルシウム(CaF)、フッ化マグネシウム(MgF)の内の少なくとも一種を含む、付記1から6のいずれか1項に記載の形成方法。
(付記8)
前記対象物上に予めナノカーボン材料が形成されている付記1から7のいずれか1項に記載の形成方法。
(付記9)
前記対象物に製膜されている前記ナノカーボン材料は、カルビン、単層ナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノホーン、酸化グラフェンからなる群から選ばれる少なくとも1つを有する、請求項1から8のいずれか1項に記載の形成方法。
(付記10)
前記グラフェン・グラファイト膜またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜を析出させた後に前記合金を除去する請求項1から9のいずれか1項に記載の形成方法。
(付記11)
前記対象物は耐熱性を有する付記1から10のいずれか1項に記載の形成方法。
(付記12)
前記合金の加熱温度は800℃以上である付記1から11のいずれか1項に記載の形成方法。
(付記13)
前記合金の冷却速度は100℃/分以下である付記1から12のいずれか1項に記載の形成方法。
(付記14)
前記合金の加熱と冷却を繰り返す付記1から13に記載のいずれか1項の形成方法。
A part or all of the above-described embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited thereto.
(Appendix 1)
(A) contacting an alloy containing a typical element metal and a transition metal with a carbon source, and heating the alloy to dissolve carbon on the surface of the carbon source in the alloy;
(B) By cooling the alloy, a graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite is deposited on the surface of an object in contact with the alloy.
A method of forming a graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite,
(Appendix 2)
The formation method according to appendix 1, wherein a film thickness of the graphene / graphite film or the composite film of nanocarbon and graphene / graphite is 100 nm or more.
(Appendix 3)
The typical element metal is at least one selected from the group consisting of gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), aluminum (Al), thallium (Tl), lead (Pb), and bismuth (Bi). The forming method according to Supplementary Note 1 or 2.
(Appendix 4)
The transition element metals are scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu). , Zinc (Zn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), cadmium (Cd) , Lanthanum (La), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), mercury (Hg) 4. The forming method according to any one of appendices 1 to 3, having at least one selected from the group consisting of:
(Appendix 5)
The formation method according to any one of supplementary notes 1 to 4, wherein a weight ratio of the transition metal in the alloy is 1 wt% or more and 40 wt% or less.
(Appendix 6)
The carbon source has at least one selected from the group consisting of carbon materials, nanocarbon materials, low molecular organic compounds, artificial high molecular organic compounds, natural high molecular organic compounds, and inorganic compounds containing carbon,
The carbon material includes at least one of amorphous carbon, glassy carbon, crystalline graphite, diamond, carbon fiber, carbon fiber reinforced carbon composite material,
The nanocarbon material includes at least one of carbyne, single-walled nanotube, multi-walled carbon nanotube, fullerene, nanodiamond, graphene, carbon nanohorn, and graphene oxide,
The low molecular organic compound includes at least one of metallocene, naphthalene, anthracene, and pentacene,
The artificial high molecular organic compound includes at least one of Teflon, PMMA (polymethyl methacrylate), and polyethylene,
The natural polymer organic compound includes at least one of protein, nucleic acid, lipid, and polysaccharide,
The inorganic compound containing carbon includes silicon carbide (SiC), boron carbide (B 4 C), aluminum carbide (Al 4 C 3 ), titanium carbide (TiC), zirconium carbide (ZrC), hafnium carbide (HfC), carbonization. Vanadium (VC), niobium carbide (NbC), tantalum carbide (TaC), chromium carbide (CrC), molybdenum carbide (MoC), tungsten carbide (WC), carbon nitride (C 3 N 4 ), carbon boron nitride (BCN) The formation method according to any one of appendices 1 to 5, including at least one of the above.
(Appendix 7)
The heat-resistant material has at least one selected from the group consisting of a carbon material, a nanocarbon material, a nitride, a carbide, a fluoride, mica (mica), and diamond,
The carbon material includes at least one of amorphous carbon, glassy carbon, crystalline graphite, diamond, carbon fiber, carbon fiber reinforced carbon composite material,
The nanocarbon material includes at least one of carbyne, single-walled nanotube, multi-walled carbon nanotube, fullerene, nanodiamond, graphene, carbon nanohorn, and graphene oxide,
The oxide includes quartz (SiO 2 ), alumina, sapphire (Al 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), nickel oxide (NiO), and zirconia (ZrO 2 ). ), Lithium niobate (LiNbO 3 ), at least one of lithium tantalate (LiTaO 3 ),
The nitride includes at least one of boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), carbon nitride (C 3 N 4 ), and carbon boron nitride (BCN),
The carbide is silicon carbide (SiC), boron carbide (B 4 C), aluminum carbide (Al 4 C 3 ), titanium carbide (TiC), or zirconium carbide (ZrC). Including at least one of hafnium carbide (HfC), vanadium carbide (VC), niobium carbide (NbC), tantalum carbide (TaC), chromium carbide (CrC), molybdenum carbide (MoC), tungsten carbide (WC),
The formation method according to any one of appendices 1 to 6, wherein the fluoride includes at least one of barium fluoride (BaF 2 ), calcium fluoride (CaF 2 ), and magnesium fluoride (MgF 2 ). .
(Appendix 8)
8. The forming method according to any one of appendices 1 to 7, wherein a nanocarbon material is previously formed on the object.
(Appendix 9)
The nanocarbon material formed on the object has at least one selected from the group consisting of carbyne, single-walled nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, fullerenes, nanodiamonds, graphene, carbon nanohorns, and graphene oxide. Item 9. The forming method according to any one of Items 1 to 8.
(Appendix 10)
The formation method according to claim 1, wherein the alloy is removed after the graphene / graphite film or the composite film of nanocarbon and graphene / graphite is deposited.
(Appendix 11)
11. The forming method according to any one of appendices 1 to 10, wherein the object has heat resistance.
(Appendix 12)
The forming method according to any one of appendices 1 to 11, wherein the heating temperature of the alloy is 800 ° C. or higher.
(Appendix 13)
The forming method according to any one of appendices 1 to 12, wherein the cooling rate of the alloy is 100 ° C./min or less.
(Appendix 14)
14. The method according to any one of appendices 1 to 13, wherein the heating and cooling of the alloy are repeated.

本発明の活用例として、炭素材料からなる中間材料、例えば、釣竿、テニスやバトミントンのラケットなどスポーツ・レジャー用品、各種工業機器やX線関連の医療機器の部材、土木建築や航空宇宙分野の構造材、宇宙エレベーターのケーブル、電機産業における電極などの電子部品、放熱材、ヒートパイプなどが挙げられる。   Examples of utilization of the present invention include intermediate materials made of carbon materials, such as fishing rods, sports and leisure equipment such as tennis and badminton rackets, members of various industrial equipment and X-ray related medical equipment, civil engineering architecture and aerospace structure Materials, space elevator cables, electronic parts such as electrodes in the electrical industry, heat dissipation materials, heat pipes and the like.

また、本発明は各種耐熱性無機材料の表面強化を目的とした化学、材料などの産業分野で活用することが可能である。
さらに、本発明によれば、ナノカーボンとグラフェンが持つ例外的な電子物性や光学特性、優れた機械的特性や化学的特性を融合することが可能なので、本発明は次世代のエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、スピントロニクスなどの産業分野での活用が期待される。
Further, the present invention can be used in industrial fields such as chemistry and materials for the purpose of surface strengthening of various heat-resistant inorganic materials.
Furthermore, according to the present invention, it is possible to fuse the exceptional electronic physical properties and optical properties of nanocarbon and graphene, as well as excellent mechanical and chemical properties. It is expected to be used in industrial fields such as spintronics.

1 炭素源
2 フラックス
3 被覆対象物
4 炭素
5 グラフェン・グラファイト膜
11 炭素源担持体
12 炭素源
13 合金フラックス
14 構造物
15 残渣
16 グラフェン・グラファイト膜、またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトとの複合化膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon source 2 Flux 3 Coating target object 4 Carbon 5 Graphene graphite film 11 Carbon source carrier 12 Carbon source 13 Alloy flux 14 Structure 15 Residue 16 Graphene / graphite film or composite film of nanocarbon and graphene graphite

Claims (10)

(a)典型元素金属と遷移金属を含む合金を炭素源に接触させ、前記合金を加熱することで、前記合金中に前記炭素源の表面の炭素を溶解させ、
(b)前記合金を冷却することで、前記合金に接触させた対象物の表面にグラフェン・グラファイト膜またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜を析出させる、
ことを特徴とするグラフェン・グラファイト膜またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜の形成方法。
(A) contacting an alloy containing a typical element metal and a transition metal with a carbon source, and heating the alloy to dissolve carbon on the surface of the carbon source in the alloy;
(B) By cooling the alloy, a graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite is deposited on the surface of an object in contact with the alloy.
A method of forming a graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite,
前記グラフェン・グラファイト膜またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜の膜厚が100nm以上である請求項1に記載の形成方法。   The formation method according to claim 1, wherein a film thickness of the graphene / graphite film or a composite film of nanocarbon and graphene / graphite is 100 nm or more. 前記典型元素金属は、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、タリウム(Tl)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)からなる群から選ばれる少なくとも1つを有する、請求項1または2に記載の形成方法。   The typical element metal is at least one selected from the group consisting of gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), aluminum (Al), thallium (Tl), lead (Pb), and bismuth (Bi). The forming method according to claim 1 or 2. 前記遷移元素金属は、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、水銀(Hg)からなる群から選ばれる少なくとも1つを有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の形成方法。   The transition element metals are scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu). , Zinc (Zn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), cadmium (Cd) , Lanthanum (La), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), mercury (Hg) The formation method according to claim 1, which has at least one selected from the group consisting of: 前記合金中の前記遷移金属の重量比率が1重量%以上40重量%以下である請求項1から4のいずれか1項に記載の形成方法。   The formation method according to claim 1, wherein a weight ratio of the transition metal in the alloy is 1% by weight or more and 40% by weight or less. 前記炭素源は、炭素材料、ナノカーボン材料、低分子有機化合物、人工高分子有機化合物、天然高分子有機化合物、炭素を含む無機化合物を有する群から選ばれる少なくとも1つを有し、
前記炭素材料は、アモルファス炭素、ガラス状炭素、結晶性グラファイト、ダイヤモンド、炭素繊維、炭素繊維強化炭素複合材料の内の少なくとも一種を含み、
前記ナノカーボン材料は、カルビン、単層ナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノホーン、酸化グラフェンの内の少なくとも一種を含み、
前記低分子有機化合物は、メタロセン、ナフタレン、アントラセン、ペンタセンの内の少なくとも一種を含み、
前記人工高分子有機化合物は、テフロン、PMMA(ポリメタクリル酸メチル)、ポリエチレンの内の少なくとも一種を含み、
前記天然高分子有機化合物は、タンパク質、核酸、脂質、多糖類の内の少なくとも一種を含み、
前記炭素を含む無機化合物は、炭化ケイ素(SiC)、炭化ホウ素(BC)、炭化アルミニウム(Al)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、炭化ハフニウム(HfC)、炭化バナジウム(VC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化クロム(CrC)、炭化モリブデン(MoC)、炭化タングステン(WC)、窒化炭素(C)、窒化炭素ホウ素(BCN)の内の少なくとも一種を含む、請求項1から5のいずれか1項に記載の形成方法。
The carbon source has at least one selected from the group consisting of carbon materials, nanocarbon materials, low molecular organic compounds, artificial high molecular organic compounds, natural high molecular organic compounds, and inorganic compounds containing carbon,
The carbon material includes at least one of amorphous carbon, glassy carbon, crystalline graphite, diamond, carbon fiber, carbon fiber reinforced carbon composite material,
The nanocarbon material includes at least one of carbyne, single-walled nanotube, multi-walled carbon nanotube, fullerene, nanodiamond, graphene, carbon nanohorn, and graphene oxide,
The low molecular organic compound includes at least one of metallocene, naphthalene, anthracene, and pentacene,
The artificial high molecular organic compound includes at least one of Teflon, PMMA (polymethyl methacrylate), and polyethylene,
The natural polymer organic compound includes at least one of protein, nucleic acid, lipid, and polysaccharide,
The inorganic compound containing carbon includes silicon carbide (SiC), boron carbide (B 4 C), aluminum carbide (Al 4 C 3 ), titanium carbide (TiC), zirconium carbide (ZrC), hafnium carbide (HfC), carbonization. Vanadium (VC), niobium carbide (NbC), tantalum carbide (TaC), chromium carbide (CrC), molybdenum carbide (MoC), tungsten carbide (WC), carbon nitride (C 3 N 4 ), carbon boron nitride (BCN) The formation method of any one of Claim 1 to 5 containing at least 1 type in these.
前記耐熱性材料は、炭素材料、ナノカーボン材料、窒化物、炭化物、フッ化物、雲母(マイカ)、及びダイヤモンドからなる群から選ばれる少なくとも1つを有し、
前記炭素材料は、アモルファス炭素、ガラス状炭素、結晶性グラファイト、ダイヤモンド、炭素繊維、炭素繊維強化炭素複合材料の内の少なくとも一種を含み、
前記ナノカーボン材料は、カルビン、単層ナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノホーン、酸化グラフェンの内の少なくとも一種を含み、
前記酸化物は、石英(SiO)、アルミナやサファイア(Al)、酸化チタン(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ニッケル(NiO)、ジルコニア(ZrO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)の内の少なくとも一種を含み、
前記窒化物は、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化炭素(C)、窒化炭素ホウ素(BCN)の内の少なくとも一種を含み、
前記炭化物は、炭化ケイ素(SiC)、炭化ホウ素(BC)、炭化アルミニウム(Al)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)。炭化ハフニウム(HfC)、炭化バナジウム(VC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化クロム(CrC)、炭化モリブデン(MoC)、炭化タングステン(WC)の内の少なくとも一種を含み、
前記フッ化物は、フッ化バリウム(BaF)、フッ化カルシウム(CaF)、フッ化マグネシウム(MgF)の内の少なくとも一種を含む、請求項1から6のいずれか1項に記載の形成方法。
The heat-resistant material has at least one selected from the group consisting of a carbon material, a nanocarbon material, a nitride, a carbide, a fluoride, mica (mica), and diamond,
The carbon material includes at least one of amorphous carbon, glassy carbon, crystalline graphite, diamond, carbon fiber, carbon fiber reinforced carbon composite material,
The nanocarbon material includes at least one of carbyne, single-walled nanotube, multi-walled carbon nanotube, fullerene, nanodiamond, graphene, carbon nanohorn, and graphene oxide,
The oxide includes quartz (SiO 2 ), alumina, sapphire (Al 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), nickel oxide (NiO), and zirconia (ZrO 2 ). ), Lithium niobate (LiNbO 3 ), at least one of lithium tantalate (LiTaO 3 ),
The nitride includes at least one of boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), carbon nitride (C 3 N 4 ), and carbon boron nitride (BCN),
The carbide is silicon carbide (SiC), boron carbide (B 4 C), aluminum carbide (Al 4 C 3 ), titanium carbide (TiC), or zirconium carbide (ZrC). Including at least one of hafnium carbide (HfC), vanadium carbide (VC), niobium carbide (NbC), tantalum carbide (TaC), chromium carbide (CrC), molybdenum carbide (MoC), tungsten carbide (WC),
The formation according to claim 1, wherein the fluoride includes at least one of barium fluoride (BaF 2 ), calcium fluoride (CaF 2 ), and magnesium fluoride (MgF 2 ). Method.
前記対象物上に予めナノカーボン材料が形成されている請求項1から7のいずれか1項に記載の形成方法。   The formation method according to claim 1, wherein a nanocarbon material is previously formed on the object. 前記対象物に製膜されている前記ナノカーボン材料は、カルビン、単層ナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノホーン、酸化グラフェンからなる群から選ばれる少なくとも1つを有する、請求項1から8のいずれか1項に記載の形成方法。   The nanocarbon material formed on the object has at least one selected from the group consisting of carbyne, single-walled nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, fullerenes, nanodiamonds, graphene, carbon nanohorns, and graphene oxide. Item 9. The forming method according to any one of Items 1 to 8. 前記グラフェン・グラファイト膜またはナノカーボンとグラフェン・グラファイトの複合化膜を析出させた後に前記合金を除去する請求項1から9のいずれか1項に記載の形成方法。   The formation method according to claim 1, wherein the alloy is removed after the graphene / graphite film or the composite film of nanocarbon and graphene / graphite is deposited.
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