JP2016069230A - 熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法 - Google Patents
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このような黒鉛材料としては、コークスなどの粉体を原材料としてブロックに成形され焼成および黒鉛化して得られる多孔質の黒鉛材料が広く用いられている。
しかしながら、このような多孔質の黒鉛材料は、酸素、水などと反応しやすいので、加熱中にわずかの酸素、水などと反応して急速に消耗してしまう問題があり、熱分解炭素の被覆を施すことにより表面積を小さくして消耗速度を遅くする技術が知られている。
このような製造方法によれば、耐酸化性の優れた熱分解炭素被覆黒鉛材が得られると記載されている。
このため特許文献1に記載の技術のように、熱分解炭素の消耗速度を遅くするために2000℃以上、さらには2500℃以上で加熱すると、黒鉛部材にクリープ変形が生じ様々な問題が生じるようになる。
また本発明は、黒鉛部材上に結晶化度の高い熱分解炭素被膜を有し、高い寸法精度および耐消耗性を有する熱分解炭素被覆黒鉛部材を提供することを目的とする。
すなわち本発明は、以下の通りである。
1.黒鉛部材に、炭化水素ガスを用いてCVD法により熱分解炭素を被覆する熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法において、
前記CVD法の前記黒鉛部材の温度は、2000℃未満であって、
前記CVD法は酸素の存在下で行うことを特徴とする熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法。
2.前記CVD法の前記黒鉛部材の温度は、1200℃以上である前項1に記載の熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法。
3.前記酸素の分圧は、炭化水素ガスの分圧に対し1000〜17000ppmである前項1または2に記載の熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法。
4.前記酸素は、前記炭化水素ガスにあらかじめ混合して供給する前項1〜3のいずれか一項に記載の熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法。
5.前記炭化水素ガスは、メタンガスである前項1〜4のいずれか一項に記載の熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法。
6.前項1〜5のいずれか一項に記載の製造方法により製造された熱分解炭素被覆黒鉛部材。
本発明によれば、2000℃未満の温度のCVD炉内で、黒鉛部材に、炭化水素ガスを用いて熱分解炭素を被覆し、そのとき、前記熱分解炭素の被覆を酸素の存在下で行うことを特徴としている。この構成によれば、黒鉛部材に熱分解炭素を被覆する温度が2000℃未満の低温であっても、雰囲気中に酸素が存在しているので、熱分解炭素の結晶化度を高くすることができる。その理由は定かではないが、原料ガスが酸素によって直接酸化するのではなく、原料ガスが一旦、熱分解炭素として沈積したのち、酸素によって熱分解炭素の一部が酸化するプロセスがあるためであると考えられる。熱分解炭素は、完全な黒鉛の結晶ではなく、結晶構造が乱れて成長した部分を有している。希薄な酸素を含有していると、乱れて成長した部分が、選択的に酸化され取り除かれるという理由により、急速に熱分解炭素の結晶化度を高めることができるものと推測される。
本発明に用いられる黒鉛部材は、一般的な人造黒鉛を使用することができ、その具体的なサイズや形状等は用途に応じて種々選択することができ、とくに制限されない。なお、熱分解炭素を被覆する前の黒鉛部材の表面粗さRaは0.1μm〜10μmが好ましく、0.3μm〜3μmがより好ましい。表面粗さRaが0.1μm以上であれば、熱分解炭素被膜の密着性が高まるという効果を奏する。また、表面粗さRaが10μm以下であれば、より精密な形状が得られ、寸法精度を高くすることができる。なお、表面粗さRaはJIS B 0601により測定することができる。
また、黒鉛部材の熱膨張係数は、3.0〜5.0×10−6/℃であることが好ましい。熱膨張係数がこの範囲にあれば、黒鉛部材と熱分解炭素被膜との強い密着力を得ることができ、剥がれにくくすることができる。
さらに、黒鉛部材のかさ密度は、1.6〜1.8g/cm3であることが好ましい。かさ密度が1.6g/cm3以上にあれば、黒鉛部材の強度上の欠陥となる気孔が少ないので高強度の熱分解炭素被覆黒鉛部材を得ることができる。かさ密度が1.8g/cm3以下にあれば、熱分解炭素被膜のアンカーとなる気孔を充分に確保することができるので、熱分解炭素を剥がれにくくすることができる。なお、熱分解炭素被膜のかさ密度は、水中置換法で求めることができる。
CVD炉内の圧力が200Pa以上であると、熱分解炭素被膜の生成速度を早くできるうえに酸素の圧力も同時に高くなるので、酸素による乱れた結晶構造の修復能力も向上すると考えられる。熱分解時のCVD炉内の圧力が1000Pa以下であると、炭化水素ガスの平均自由行程が長くなるので、黒鉛部材に炭化水素ガスの分子が衝突する前に熱分解しにくく、乱れた構造の熱分解炭素被膜ができにくくできる。また熱分解炭素被膜を形成する前に炭化水素ガスとの反応により酸素が消費され、酸素による結晶欠陥の除去作用を大きくできると考えられる。
また本発明によれば、黒鉛部材上に結晶化度の高い熱分解炭素被膜を有し、高い寸法精度および耐消耗性を有する熱分解炭素被覆黒鉛部材を提供することができる。
CVD炉の反応室に、150mm×150mm×5mmの矩形状の等方性黒鉛からなる黒鉛部材(イビデン(株)製ETU−10、表面粗さRa=0.6μm、熱膨張係数4.2×10−6/℃)を入れ(炉詰め)、真空引きを行い、炉内の圧力を100Pa以下とした。続いてCVD炉内を室温から1500℃まで2時間かけて昇温させた。
次に、CVD炉内温度を維持したまま、原料ガスであるメタンガスと、キャリアガスである水素とを導入し、時間、熱分解炭素の被覆工程を行った(成膜)。水素の流量は1.6L/min、メタンガスの流量は5.0L/minであり、導入を開始すると炉圧は500Paに上昇した。なお、メタンガスに対する酸素の濃度は、あらかじめCVDの炉外で混合器で調整し、原料ガスとして用いた。実験例1〜5におけるメタンガスに対する酸素の濃度は、表1に示す。成膜終了後、メタンガスおよび水素の導入を停止した。その後、CVD炉内の圧力を100Pa以下に維持したまま、室温まで4時間かけて冷却を行った。冷却完了後、CVD炉内の復圧を行い、熱分解炭素被覆黒鉛部材をCVD炉内から取り出した(炉出し)。
得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材について、断面および表面をSEMを用いて観察した。
図3は実験例1で得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材の断面の拡大写真である。図4は実験例1で得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材の表面の拡大写真である。図5は実験例2で得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材の断面の拡大写真である。図6は実験例2で得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材の表面の拡大写真である。図7は実験例3で得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材の断面の拡大写真である。図8は実験例3で得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材の表面の拡大写真である。図9は実験例4で得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材の断面の拡大写真である。図10は実験例4で得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材の表面の拡大写真である。図9は実験例5で得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材の断面の拡大写真である。図10は実験例5で得られた熱分解炭素被覆黒鉛部材の表面の拡大写真である。
製造された各熱分解炭素被覆黒鉛部材について、ラマンR値を測定した。ラマンR値は、結晶のエッジの多さを示す指数であり、指数が小さくなるほど構造的な欠陥が少なく、結晶化度(黒鉛化度)が高いことを意味する。R値は、2つのラマンバンドの強度比(I1360/I1580)である。グラファイト構造に乱れが生じると、1580cm−1のラマンバンドの他に1360cm−1および1620cm−1にラマンバンドが認められるようになり、構造の乱れが大きくなるとともにこれらのバンドの1580cm−1のラマンバンドに対する相対強度が増し、全体にブロードな形状となってゆくことは知られている。1360cm−1および1620cm−1のバンドは構造の乱れ(Disorder)に起因するものとして、グラファイト(Graphite)本来のGバンド(1580cm−1)に対して、Dバンド(1360cm−1)、D’バンド(1620cm−1)と略称されている。このようにグラファイトのラマンスペクトルは、他の化合物には例がないほど構造欠陥に対して著しく敏感であり、炭素材料の評価手法として有用であることが知られている。
図2は実施例で測定されたラマンR値の結果を示すグラフである。
ラマンR値の測定機器および測定条件を以下に示す。
測定機器:HORIBA HR800
測定条件:測定光波長 632.81nm
フィルター 無し
測定範囲 1250〜1750cm−1
測定時間×測定数 5秒×10回
膜厚は、同時にCVD炉に入れた膜厚測定用の試験片(7×7×20mm)を折り、破断面に現れた熱分解炭素被膜の厚さを、SEMを用いて測定した。
上記の方法で得られた各水準における膜厚を、成膜に要した時間で割り、1時間当たりの成膜速度を算出した。
剥離試験は、熱分解炭素被覆黒鉛部材を350℃に熱した後、25℃の水中に投下して剥離の有無を確認した。
また、この効果は、上記メカニズムにより得られると考えられるので、炭化水素ガスの種類、炭化水素ガスに対する酸素の分圧、混合の方法、温度などの成膜の条件は本実施例の範囲に限定されず、適用することができる。
Claims (6)
- 黒鉛部材に、炭化水素ガスを用いてCVD法により熱分解炭素を被覆する熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法において、
前記CVD法の前記黒鉛部材の温度は、2000℃未満であって、
前記CVD法は酸素の存在下で行うことを特徴とする熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法。 - 前記CVD法の前記黒鉛部材の温度は、1200℃以上であることを特徴とする請求項1に記載の熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法。
- 前記酸素の分圧は、炭化水素のガス分圧に対し1000〜17000ppmである請求項1または2に記載の熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法。
- 前記酸素は、前記炭化水素ガスにあらかじめ混合して供給する請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法。
- 前記炭化水素ガスは、メタンガスである請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱分解炭素被覆黒鉛部材の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の製造方法により製造された熱分解炭素被覆黒鉛部材。
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