JP3734170B2 - Ultrafine metal particles and production method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
磁気テープ、磁気記録ディスク等の磁気記録媒体や、電波吸収体、インダクタ、プリント基板等の電子デバイス(ヨークなどの軟磁性形状体)の原材料に用いる金属粒子およびその製造方法に関する。さらに、金属粒子を形成する際の副生成物である微小体およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子機器の小型軽量化に伴い、電子デバイスを構成する原材料自体もナノサイズ化が要求されている。同時にデバイスの高性能化も実現しなければならない。例えば磁気記録密度の向上を目的として、磁気テープに塗布する磁性粒子のナノサイズ化と磁化の向上が同時に要求される。
【0003】
従来、磁気記録媒体用として主にフェライト粉が用いられてきたが、磁化が小さく信号強度が低いという問題があった。十分な出力特性を得るためにはFe、Coで代表される金属磁性粒子が適しているが、例えば高記録密度化のために粒子径を1μm以下に微細化すると、金属粒子は酸化に対して活性であるため大気中で酸化反応が激しく進行し、金属の一部または全部が酸化物に変質して磁化が低下してしまう。微細な金属粒子の取り扱いを改善するために、Fe、Coを含む磁性粒子表面をフェライト層で被覆する方法(例えば、特許文献1)、Fe粉表面をグラファイトで被覆する方法(例えば、特許文献2)等が提案されている。
【0004】
上述の例のように粒径が1μm以下の金属粒子において、金属としての機能を損なわせないためには、粒子を直接大気(酸素)に触れさせないようにするため、粒子表面に被膜を付与することが不可欠である。しかし、特許文献1のように金属酸化物で表面を被覆する方法は、少なからず金属を酸化劣化させている。
また、特許文献2のように金属粒子をグラファイトでコーティングする場合は、コーティングするためには、金属が炭素を溶融する状態を作るために、1600℃〜2800℃という極めて高い温度で熱処理しなければならない。金属の炭化やグラファイトのCO化が懸念される。これら諸問題を打開する被覆方法として、窒化ほう素(BN)による金属粒子の被覆が挙げられる(例えば、非特許文献1)。BNは「るつぼ」に用いられる材料であり、融点が3000℃と高く熱的安定性に優れているとともに、金属との反応性が低い。また絶縁性を有する特徴がある。金属粒子にBN被膜を付与する製法は、(1)金属とBの混合粉末を窒素雰囲気中でアーク放電によって加熱する、あるいは(2)金属とBの混合粉末を水素とアンモニアの混合雰囲気中で加熱する、あるいは(3)硝酸金属塩と尿素とホウ酸の混合物を水素雰囲気中で熱処理する、といった方法がある。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−30920号公報(第9〜11頁、図2)
【特許文献2】
特開平9−143502号公報(第3〜4頁、図5)
【非特許文献1】
「インターナショナル ジャーナル オブ インオーガニック マテリアルズ 3 2001(International Journal of Inorganic Materials 3 2001)」,2001年,p.597
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記BN被膜の製法において、製法(1)及び(2)は金属粒子を原料としているため、特に粒径1μm以下の超微粒子を取り扱う際、急激な酸化反応による発火などの危険がある。また製法(3)では硝酸金属塩を加熱分解するため、有毒ガス(NO)が発生する。また製法(1)のアーク放電を利用する手法は処理量が少なく生産性が低いだけでなく、反応温度が2000℃付近の高温であるため工業的利用には適していない。また製法(2)及び(3)で使用する水素ガスは爆発の危険があるため、工業的に利用するのは好ましくない。また、従来の技術で得られる被覆された金属粒子は、金属粒子の一部を改質することによって飽和磁化の劣化が生じるなどの問題があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】
発明者等は、上記課題を解決すべく、安全且つ簡便な方法で工業的利用に適した被膜が金属粒子表面に被覆された金属超微粒子およびその製造方法を鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。
【0008】
[1] 本発明の金属超微粒子は、金属酸化物とほう素を含有する粉末を混合した粉末を窒素を含む雰囲気中で熱処理して、前記金属酸化物を還元することにより得られた金属粒子であり、かつ前記金属粒子の表面は窒化ほう素で被覆されており、平均粒径が1μm以下であることを特徴とする。望ましくは平均粒径を0.001〜1μmの範囲内とする。より望ましくは平均粒径が0.01μm〜0.1μmである。粒径0.1μm以下では、表面を窒化ほう素で被覆することによる酸化防止の効果が特に際立っている。また、例えば、平均粒径0.2〜0.5μmである耐酸化性に優れた金属超微粒子を得ることもできる。
【0009】
試料を電子顕微鏡で観察して平均粒径を測定する。例えば、試料の電子顕微鏡写真を取る。写真内で任意の面積内にある金属超微粒子の粒径を測定して平均値を求めたり、あるいは写真内で任意の長さの線分を引いて、線分の粒子を横断する部分の長さの和Lと線分が横断した粒子の数Nとから、平均粒径=L/Nとして求める。ただし、少なくとも50個以上の粒子の平均値を得るものとする。また、熱処理後のFeの粒子径はリガク製解析ソフト「Jade5」を用いてX線回折測定のFeの(110)ピークから計算することができる。
【0010】
本発明では、微粒子のすべてが窒化ほう素(もしくは炭素)で被覆されていることが望ましいが、必ずしも全ての粒子が被覆されていなくてもよい。また、超微粒子の表面は窒化ほう素(もしくは炭素)で被覆されていることが望ましいが、表面が完全に窒化ほう素(もしくは炭素)で被覆されている粒子のみで構成される必要はない。なお、本願明細書および特許請求の範囲における数値範囲の記載は、例えば、「粒径が0.001〜1μmである」と記載したものは「粒径は、0.001μm以上且つ1μm以下の範囲にある」という表現と等価なものとして用いている。
【0011】
[2] 上記[1]において、前記金属酸化物は、遷移金属を含む酸化物であることを特徴とする。例えば、窒化ほう素で被覆されたFe粒子、窒化ほう素で被覆されたNi粒、窒化ほう素で被覆されたFeNiCo粒子、窒化ほう素で被覆されたNiFe粒子等が挙げられる。前記金属粒子は、Fe、それを含む合金から選ばれることが望ましい
【0012】
[3] 上記[1]または[2]の金属超微粒子において、前記窒化ほう素は、主としてh−BNの結晶構造を有することを特徴とする。
【0013】
[4] 上記[1]乃至[3]のいずれかの金属超微粒子において、前記窒化ほう素は、厚さ100nm以下の膜であることを特徴とする。ここで、膜厚とは、被覆される粒子の表面と被覆する薄膜の表面間の距離に相当する。より好ましくは膜厚20nm以下にすることができる。
【0014】
[5] 上記[1]乃至[4]のいずれかの金属超微粒子において、前記窒化ほう素は、結晶の格子面もしくは積層面が2層以上であることを特徴とする。より望ましくは結晶の格子面もしくは積層面が4層以上の膜とする。ここで、窒化ほう素は六方晶を主体とし、前記結晶の格子面もしくは積層面は六方晶のc面(すなわち、(002)面)であることが望ましい。前記結晶の格子面もしくは積層面は、金属粒子の面に沿って形成されていることが望ましい。
[6] 上記[5]において、前記粒子または窒化ほう素の中に中間相を備えてもよい。
【0015】
[7] 上記[1]乃至[6]のいずれかにおいて、前記金属超粒子は粒子を構成する主成分が磁性金属元素であり、前記金属超微粒子の飽和磁化は、前記磁性金属元素の材質固有の飽和磁化の10%以上且つ100%未満であることを特徴とする。
上記[7]に関して、金属超微粒子の核を磁性粒子で構成する際に、被覆している窒化ほう素膜は30nm以下と極めて薄くすることができる。そのため、金属超微粒子において、磁性粒子の占める体積率を高くすることもでき、従来技術に比べて金属超微粒子の飽和磁化の低下を抑制することができる。遷移金属または遷移金属を含む合金で構成される粒子において、粒子の磁性を担う主成分の材質固有の飽和磁化を基準(すなわち、100%)としたときに、その粒子に窒化ほう素膜を被覆した金属超微粒子の飽和磁化は前記基準に対して10%以上の大きさを有するものとすることができる。
【0016】
[8] 上記[1]乃至[7]のいずれかにおいて、熱処理前の含有酸素質量(mass%)に対して、湿度100%、温度120℃、1気圧、24時間の条件で熱処理した後の酸素質量増分が50%以下であることを特徴とする。金属超微粒子の表面は完全に窒化ほう素膜で被覆されていなくとも、すなわち局部的に被覆が薄くなっていたとしても、使用することができる。しかしながら、長期間保管する場合に酸化の進行を防止することが難しいため、超微粒子の表面を完全に窒化ほう素膜で被覆することが望ましい。
【0017】
なお、本願明細書および特許請求の範囲において、mass%、すなわち質量百分率(質量%)は物質の質量で組成比を表している。すなわち、金属超微粒子の単位質量に対して各元素成分がどれくらいの質量で含有されているかを表す。
組成毎の質量%を測定する方法は、例えば、試料粉末を2000〜3000℃へ急速加熱することにより試料中の酸素等を熱分解し、ガスクロマトグラフと熱伝導度検出器により、発生した酸素ガスもしくは酸素を含有するガスを検出することによって酸素の含有量を分析する方法である。本発明に係る金属超微粒子は、特に耐酸化性に優れているため、前述の加湿・加温処理を施しても、処理前の含有酸素量に対して処理後の酸素質量増加が抑制される。
【0018】
磁気特性を極端に劣化させない程度に、原材料の混合時に含まれる不純物や不可避的不純物(もとから原料に含まれる元素)を磁性粒子に含有していてもよい。
また、金属または合金で構成される粒子は、そのX線回折パターンにおいて、強度(Intensity(cps))が最も高いピークと2番目に高いピークの少なくとも一方が金属粒子を構成する元素(被覆を除く)のピークに相当することを特徴とする。より好ましくは粒子を構成する元素(BNを除く)の酸化物のピークが、3番目に高いピークより十分小さいこと若しくは全く検出されないことを特徴とする。
【0019】
[9] 本発明の金属超微粒子の製造方法は、金属の酸化物を含有する粉末とほう素を含有する粉末を混合した粉末を、窒素を含む雰囲気中で熱処理することにより、窒化ほう素で被覆された金属粒子を作製することを特徴とする。金属の酸化物は、遷移金属を含有していることが望ましい(より望ましくは遷移金属の酸化物で構成する)。生成された窒化ほう素で被覆された金属粒子は平均粒径が1μm以下とすることが望ましい。“窒素を含む雰囲気”とは、窒素ガス、アルゴン等の不活性ガスと窒素ガスの混合ガスから選ばれる雰囲気に相当する。
【0020】
上記[9]の製造方法について、より望ましくは、酸化鉄を含む粒子とボロンを含む粒子を混合した粉末を、窒素を含む雰囲気中で熱処理して、酸化鉄を鉄と鉄ボロン化合物の少なくとも1種に還元し、ボロン酸化物を生成することにより、最終的には鉄もしくは鉄窒化物の少なくとも1種の粒子であって、表面が窒化ほう素に被覆されている粒子を製造することを特徴とする。
【0021】
上記[9]に係る金属超微粒子の製造方法は、金属酸化物粒子を還元する工程と、金属粒子の表面を窒化ほう素膜で被覆する工程を一つの熱処理工程で行なうことを特徴とする。本発明の製造方法は、追って説明する比較例の製造方法に比べて、酸素をほとんど含有しないという点で優れている。比較例の製造方法とは、金属の超微粒子を作製した後、自然発火や燃焼(酸化すること)を避けるために、酸素を低濃度で含む不活性雰囲気を徐々に金属の超微粒子に供給することで、表面に薄い酸化膜を形成する超微粒子の製造方法である。
【0022】
[10] 上記[9]において、前記熱処理は、800〜1700℃の温度で行われることを特徴とする。
【0023】
[11] 本発明の他の金属超微粒子は、金属酸化物と炭素を含有する粉末を混合した粉末を窒素を含む雰囲気中で熱処理して、前記金属酸化物を還元することにより得られた金属粒子であり、かつ前記金属粒子の表面は主としてグラファイトで構成されている炭素で被覆されており、前記グラファイトの結晶の層状格子面は前記金属粒子の面に沿って形成され、平均粒径が1μm以下であることを特徴とする。望ましくは平均粒径を0.001〜1μmの範囲内とする。より望ましくは平均粒径が0.01μm〜0.1μmである。粒径0.1μm以下では、表面を炭素で被覆することによる酸化防止の効果が特に際立っている。また、例えば、平均粒径0.2〜0.5μmというような耐酸化性に優れた金属超微粒子を得ることもできる。
【0024】
[12] 上記[11]において、前記金属酸化物は、遷移金属を含む酸化物であることを特徴とする。前記金属粒子は、Fe、Ni、Co、それらの少なくとも1種を含む合金から選ばれることが望ましい。例えば、炭素で被覆されたFe粒子、炭素で被覆されたNi粒子、炭素で被覆されたFeNiCo粒子、炭素で被覆されたNiFe粒子等が挙げられる。
[13] 上記[11]または[12]の金属超微粒子において、前記炭素が、グラファイトとアモルファスの結晶組織を有し、主としてグラファイトで構成されていてもよい。
【0025】
[14] 上記[11]乃至[13]のいずれかの金属超微粒子において、前記炭素は膜厚100nm以下であることを特徴とする。より好ましくは膜厚20nm以下にすることができる。
【0026】
[15] 上記[11]乃至[14]のいずれかの金属超微粒子において、前記炭素は、結晶の格子面または積層面が2層以上であることを特徴とする。より望ましくは結晶の格子面もしくは積層面が4層以上の膜とする。ここで、炭素はグラファイトを主体とし、前記結晶の格子面もしくは積層面は、グラファイトの積層面であることが望ましい。前記結晶の格子面もしくは積層面は、金属粒子の面に沿って形成されていることが望ましい。
[16] 上記[15]において、前記粒子または炭素の中に中間相を備えてもよい。
【0027】
被覆を構成する炭素は主に格子面が層状に配列しているグラファイトであるため、6員環が連なった層状格子の面を複数備える。すなわち、複数の結晶格子面を備える。層状格子の格子面は、前記粒子の表面に対して積層構造となることがある。前記粒子と被膜の界面には中間層または遷移金属と炭素が混在する領域若しくは両者の結晶整合領域を有するため、層状格子の面を少なくとも2層以上に形成することが、前記粒子の酸化を抑制する上で望ましい。層状格子の面(格子面)は、例えば4層〜20層の範囲内で形成することができる。中間相とは、金属粒子の結晶構造と被覆の結晶構造の中間的な構造の部分或いは境界領域を指す。中間相の厚さは、グラファイトの格子面間隔もしくはグラファイト層で1層〜5層程度となる。中間相が薄い場合、前記粒子と炭素膜間の結晶格子不整合が短い距離で緩和・解消され、前記粒子全面を均一に炭素膜で被覆できると考えられる。
【0028】
[17] 上記[11]乃至[16]のいずれかにおいて、前記金属超粒子は粒子を構成する主成分が磁性金属元素であり、前記金属超微粒子の飽和磁化は、前記磁性金属元素の材質固有の飽和磁化の10%以上且つ100%未満であることを特徴とする。上記[17]に関して、金属超微粒子の核を磁性粒子で構成する際に、被覆している炭素膜は膜厚30nm以下と極めて薄くすることができる。そのため、金属超微粒子において、磁性粒子の占める体積率を高くすることもできる。従来技術に比べて金属超微粒子の飽和磁化の低下を抑制することができる。遷移金属または遷移金属を含む合金で構成される粒子において、磁性を担う主成分の材質固有の飽和磁化を基準(すなわち、100%)としたときに、その粒子に炭素膜を被覆した金属超微粒子の飽和磁化は前記基準に対して10%以上の大きさを有するものとすることができる。
【0029】
[18] 上記[11]乃至[17]のいずれかにおいて、熱処理前の含有酸素質量(mass%)に対して、湿度100%、温度120℃、1気圧、24時間の条件で熱処理した後の酸素質量増分が50%以下であることを特徴とする。金属超微粒子の表面は完全に炭素膜で被覆されていなくとも、すなわち局部的に被覆が薄くなっていたとしても、使用することができる。しかしながら、長期間保管する場合に酸化の進行を防止することが難しいため、超微粒子の表面を完全に炭素膜で被覆することが望ましい。
【0030】
磁気特性を極端に劣化させない程度に、原材料の混合時に含まれる不純物や不可避的不純物(元から原料に含まれる元素)を磁性粒子に含有していてもよい。
また、金属または合金で構成される粒子は、そのX線回折パターンにおいて、1番目ないし2番目に強度(Intensity(cps))の高いピークが、粒子の主要元素ないしグラファイトのピークに相当するピークであることが望ましい。より好ましくは粒子を構成する元素(炭素を除く)の酸化物のピークが、前記X線回折パターンにおいて現れる強度が3番目に高いピークより十分小さいこと、若しくは全く検出されないことを特徴とする。
【0031】
[19] 本発明の金属超微粒子の製造方法は、金属の酸化物を含有する粉末と炭素を含有する粉末を混合した粉末を、不活性雰囲気中で熱処理することにより、表面を炭素で被覆した金属粒子を作製することを特徴とする。金属の酸化物は、遷移金属を含有していることが望ましい(より望ましくは遷移金属の酸化物で構成する)。生成された炭素で被覆された金属粒子は平均粒径が1μm以下とすることが望ましい。
【0032】
上記[19]の製造方法について、より望ましくは酸化鉄を含む粒子と炭素を含む粒子を混合した粉末を、不活性雰囲気中で熱処理して、酸化鉄を鉄もしくは炭化鉄の少なくとも1種に還元し、炭素の酸化物を生成することにより、鉄もしくは炭化鉄の少なくとも1種の粒子であって、表面が炭素に被覆されている粒子を製造することを特徴とする。
【0033】
上記[19]に係る金属超微粒子の製造方法は、金属酸化物粒子を還元する工程と、金属粒子の表面を炭素膜で被覆する工程を一つの熱処理工程で行なうことを特徴とする。本発明の製造方法は、追って説明する比較例の製造方法に比べて、酸素をほとんど含有しないという点で優れている。比較例の製造方法とは、金属の超微粒子を作製した後、自然発火や燃焼(酸化すること)を避けるために、酸素を低濃度で含む不活性雰囲気中で徐々に金属の超微粒子に酸素を供給し、表面に薄い酸化膜を形成する超微粒子の製造方法である。
【0034】
[20] 上記[19]において、前記熱処理は、600〜1600℃の温度で行われることを特徴とする。
【0035】
[21] 本発明の微小体の製造方法は、金属の酸化物を含有する粉末とほう素を含有する粉末を混合した粉末を、窒素を含む雰囲気中で熱処理することにより、窒化ほう素の微小体を作製することを特徴とする。ここで、微小体は、上記[1]乃至[10]のいずれかに係る金属超微粒子を作製する際に、副生成物として得られる微小体に相当する。
【0036】
[22] 本発明の他の微小体の製造方法は、ほう素を含む粒子と金属の酸化物粒子を含有する粉末を、窒素を含む雰囲気中で熱処理することにより、金属粒子もしくは窒化ほう素の微小体の少なくとも1つを有する生成物を得ることを特徴とする。前記金属粒子は窒化ほう素で被覆されていてもよい。前記窒素を含む雰囲気は、例えば、窒素ガス、窒素ガスにアルゴンガスなどの希ガスを混ぜた混合ガス等を用いることができる。
【0037】
[23] 上記[21]又は[22]において、前記熱処理は800〜1700℃の温度で行われることを特徴とする。
【0038】
上記[21]乃至[23]のいずれかに係る製造方法は、非常に量産性に優れている。必要な熱エネルギーは従来の製造方法に比べて小さい。また、高真空を必要としている訳ではなく、雰囲気の精密な圧力制御が不要である。不活性なガスを用いている為、熱処理炉の損傷がなく、損傷により微小体に不純物が混入するというような問題もない。さらに爆発性や有毒性の危険もない。原料として用いる酸化物の粉末は、nmサイズの粒子であっても作製および取り扱いが容易である。原料の発火や燃焼が発生し難く、発火等による原料ロスや形状が設計外となる問題や工程中断の問題等が起こり難いということもメリットとして挙げられる。
【0039】
[24] 上記[21]乃至[23]のいずれかに記載の微小体の製造方法によって窒化ほう素の微小体と金属粒子を有する粉末を作製し、前記粉末から前記金属粒子の少なくとも一部を除去することを特徴とする。金属粒子を全て除去して、窒化ほう素の微小体のみの粉末にすることが望ましい。すなわち、熱処理後に金属粒子もしくは金属粒子を含む微小体を除去するというプロセスを経る。例えば、熱処理を行っている際に還元された金属粒子が、さらに粒成長して粗大な金属粒子になった場合、除去することが望ましい。
このプロセスは、微小体の粉末における窒化ほう素の割合・純度を高める工程である。例えば、この微小体を媒体(液体)に分散させ、金属系粒子と窒化ほう素微小体の比重差(あるいは、金属を含む微小体と金属を含まない微小体の比重差)を利用して、攪拌後の自然沈降や遠心分離等の手法により、金属粒子等を分離・低減する方法を用いることができる(分離法1)。また、金属粒子に磁界を印加して吸引し、吸引されない窒化ほう素のみの微小体と分離する方法(湿式もしくは乾式)を用いることができる(分離法2)。また、金属粒子を酸などの溶液で化学的に溶解して除去することにより、金属粒子の量を低減する方法を用いることができる(分離法3)。分離法3は溶け残りの残渣や不純物の混入の可能性があるが、金属粒子の低減には効果がある。金属粒子の表面が全て被覆されていて酸などの溶液が浸透しない場合、粉末状の微小体の純度を高めるには、分離法1又は分離法2を行なうことが望ましい。なお、微小体の粉末に金属の粉末が含まれていても、必ずしも問題という訳ではない。微小体は寸法が小さく、粉末のハンドリングが容易ではない。例えば、遷移金属の微粒子の粉末をキャリヤーとして含む粉体であれば、微小体のみからなる粉末に比べてハンドリングし易くなるという利点がある。
【0040】
[25] 本発明の他の微小体は、金属酸化物を窒素を含む不活性ガス雰囲気中で還元することにより生成し、主として窒化ほう素で構成されており、ワイヤ状若しくは円筒状であることを特徴とする。窒化ほう素は菱面体相であることが望ましい。この微小体は、上記[1]乃至[10]に係る金属超微粒子を作製する際に、副生成物として得られる。
本発明の他の微小体は、金属酸化物を窒素を含む不活性ガス雰囲気中で還元することにより窒素とほう素を結合させた微小体であって、主として窒化ほう素で構成されており、ワイヤ状若しくは円筒状であることを特徴とする。金属酸化物を媒介もしくは促進剤として、窒素を含む不活性の雰囲気中で熱処理を行うことにより、ほう素と窒素を結合させて窒化ほう素の微小体を生成する。金属酸化物は、例えば、金属もしくは合金の酸化物を用いることができる。特に、遷移金属または遷移金属の少なくとも1種を含む合金を用いることが望ましい。さらに好ましくは、磁性金属の酸化物を用いる。例えば、前記金属もしくは合金は、Fe、Ni、Co、それらの少なくとも1種を含む合金から選ぶことができる。
【0041】
“微小体”とは、例えば、ナノチューブ、ナノワイヤー、立体的原子構造体、ナノ粒子、ナノメートル(nm)オーダーの寸法的特徴を有する構造体、それらの少なくとも一つを含む集合体または粉末(若しくは粉体)のように、微小な物を指す用語として用いる。円筒状の形状を有する微小体は、特にナノチューブであることがより好ましい。“ワイヤ状若しくは円筒状”とは、例えば、線状、棒状、チューブ状、管状、それらのいずれかで中空または中実であるもの、それらのいずれかを連ねて接続したもの、小片(板状片、鱗状もしくはブロック状の片)を継ぎ足して構成した長尺の形状等を含む用語として用いる。
【0042】
[26] 上記[25]において、前記微小体は、平均直径が0.5μm以下であることを特徴とする。望ましくは平均直径0.01〜0.5μm、さらに望ましくは平均直径0.05〜0.5μmとする。より詳細には、例えば、直径0.1〜0.3μmとすることができる。
なお、原料の金属酸化物として、平均粒径が0.001〜1μmの範囲内にある微細な粉を用いれば、直径0.001〜1μmの範囲内の微小体を得ることことができる。より好ましくは平均粒径0.001〜0.05μmの範囲内の金属酸化物を用いて、直径0.001〜0.05μmの微小体を得る。平均粒径が小さく且つ粒径分布のシャープな原料を用いることにより、平均直径の小さい微小体を得ることができる。
【0043】
直径とは、例えば、1個の微小体について、ワイヤ状もしくは円筒状の部分の断面(長手方向に直交する向きでの断面)を見たときの外径に相当する。断面が円形でない場合には最大値を直径と見なす。微小体が、長手方向に沿ってゆるやかに変化している直径を有する場合には、長手方向で見たときの最大径と最小径の中間値を微小体の直径として表せばよい。ワイヤ状若しくは円筒状の形状から大きく外れる箇所がある場合には、その箇所を無視し、ワイヤ状若しくは円筒状の部分のみで直径を評価する。
【0044】
平均直径とは、例えば、ワイヤ状若しくは円筒状の微小体を有する粉末を試料として、電子顕微鏡写真を撮影する。写真内で任意の面積内にある微小体について各々の直径を測定して平均値を求める。すなわち、N個の微小体について(N≧50個)、前記直径を測定し、平均直径=(測定した直径の総和)/Nとして表わす。写真に代えて、イメージを取得し、パソコンと画像処理ソフトを利用して直径を測定してもよい。
【0045】
[27] 本発明の他の微小体は、金属酸化物を不活性ガス雰囲気中で還元することにより生成し、外径Roと内径Riの比が、(Ri/Ro)≦0.8となる部位を備える円筒状の窒化ほう素微小体であることを特徴とする。Ri/Roの比が1に近いと、壁の厚みが小さくなるので微小体の重量が少なくなり、結果として比表面積が大きくなる。本発明に係る窒化ほう素微小体は、(Ri/Ro)の比が1に近い箇所を有するが、内径が小さくなっている箇所もある。例えば、円筒形状の終端や円筒形状が屈曲している箇所において、内径が小さくなることもあるが、実用的には差し支えない。
この窒化ほう素微小体は、チューブの壁を構成する窒化ほう素の原子層を多層に形成することができ、節や架橋を増やすように生成することもできる。従って、ワイヤ状若しくは円筒状の微小体の壁の厚さを厚くして、(Ri/Ro)が小さい微小体を製造することも可能である。なお、Riはチューブを長手方向にほぼ垂直な断面でみたときの内径(空洞の径に相当)であり、節の断面などは含まない。Roはチューブを長手方向にほぼ垂直な断面でみたときの外径に相当する。
【0046】
[28] 本発明の他の微小体は、菱面体相の窒化ほう素微小体と六方晶相の窒化ほう素微小体の混合物であることを特徴とする。
結晶構造について、菱面体相の窒化ほう素(Rhombohedral Boron Nitride)はr−BNとも表される。六方晶相の窒化ほう素(Hexagonal Boron Nitride)は、h−BNとも表される。
[29] 本発明の他の微小体は、菱面体相と六方晶相を有する窒化ほう素であることを特徴とする。
【0047】
[30] 本発明の他の微小体は、金属酸化物を不活性ガス雰囲気中で還元することにより生成し、窒化ほう素を主として構成されており、円筒状であって内部に節もしくは架橋を有することを特徴とする。
ここで、“節”とは筒状(あるいは管状)の微小体の内部を複数の空洞に分離したり、複数の区画に分割することができる部材に相当する。“架橋”とは、筒状の微小体の内壁の任意の部分同士を接続する部材に相当する。架橋がより集まって節を構成することも可能と考えられる。節の面は、管の壁や円筒の壁に対して、平行な配置ではなくむしろ直交するような配置に近い関係にある。節が複数個ある場合、節同士の間隔は例えば0.5d以上とする。ここで、dは節と節の中間における円筒状の部分の直径dに相当する。また、この微小体は、複数個の節を備えていても外径や壁面厚さが一方的に漸減するとは限らず、むしろ増加させることも可能であり、長尺の微小体を得ることができる。
【0048】
[31] 本発明の他の微小体は、金属酸化物を不活性ガス雰囲気中で還元することにより生成し、金属粒子と、前記金属粒子を被覆する窒化ほう素被膜と、ワイヤ状もしくは円筒状の窒化ほう素を備えることを特徴とする。
ワイヤ状もしくは円筒状の部分は、成長方向が一つとは限らず、複数の成長方向を有するものであってもよい。また、ワイヤ状もしくは円筒状の窒化ほう素は、窒化ほう素被膜から直接成長させてもよいし、金属酸化物を還元した金属粒子から直接成長させてもよい。金属粒子は、窒化ほう素微小体の先端部もしくは中央部のいずれに配置されていてもよい。配置の状態としては、1個の金属粒子に1個の窒化ほう素微小体に設けた構造(あるいは接合、接続、結合、連結、連接した構造)、あるいは1個の金属粒子に複数の窒化ほう素微小体を設けた構造が挙げられる。他の配置状態としては、金属粒子が炭素微小体に内包された構造(あるいは被覆、嵌合、埋設、包含、巻回、抱持、担持などの構造)がある。製造方法で原料や熱処理等の条件を変えることで、金属粒子の配置状態は変わりうる。
前記金属粒子は、遷移金属または遷移金属の少なくとも1種を含む合金で構成されることが望ましい。さらに望ましくは、前記金属粒子を磁性金属で構成する。例えば、前記金属粒子は、Fe、Ni、Co、それらの少なくとも1種を含む合金から選ばれる組成を有するものとする。
【0049】
[32] 本発明の他の微小体の製造方法は、金属の酸化物を含有する粉末と炭素を含有する粉末を混合した粉末を、不活性の雰囲気中で熱処理することにより、炭素の微小体を作製することを特徴とする。より望ましくは、遷移金属の酸化物で構成される粉末と炭素粉末とを混合した粉末を、不活性の雰囲気中で熱処理することにより炭素の微小体を作製する。この微小体の製造方法は、上記[11]乃至[20]に係る金属超微粒子を作製する際に、副生成物として得ることができる微小体とその製造方法に関わる。
【0050】
[33] 本発明の他の微小体の製造方法は、炭素を含む粒子と金属の酸化物粒子を含有する粉末を、不活性の雰囲気中で熱処理することにより、金属粒子もしくは炭素の微小体の少なくとも1つを有する生成物を得ることを特徴とする。前記金属粒子は炭素で被覆されていてもよい。
【0051】
[34] 上記[32]又は[33]において、前記熱処理は600〜1600℃の温度で行われることを特徴とする。
【0052】
上記[32]乃至[34]のいずれかに係る製造方法は、非常に量産性に優れている。必要な熱エネルギーは従来の製造方法に比べて小さい。また、高真空を必要としている訳ではなく、雰囲気の圧力制御等も量産性の制約にはなりにくい。不活性なガスを用いている為に熱処理炉の損傷がなく、損傷により微小体に不純物が混入するというような問題もない。原料として用いる酸化物の粉末は、nmサイズの粒子であっても作製および取り扱いが容易である。原料の発火や燃焼が発生し難く、発火等による原料ロスや形状が設計外となる問題や工程中断の問題等が起こり難いということもメリットとして挙げられる。
【0053】
[35] 上記[32]乃至[34]のいずれかに記載の微小体の製造方法によって炭素の微小体と金属粒子を有する粉末を作製し、前記粉末から前記金属粒子の少なくとも一部を除去することを特徴とする。金属粒子を全て除去して、炭素の微小体のみの粉末にすることが望ましい。すなわち、熱処理後に金属粒子もしくは金属粒子を含む微小体を除去するというプロセスを経る。例えば、熱処理を行っている際に還元された金属粒子が、さらに粒成長して粗大な金属粒子になった場合、除去することが望ましい。この除去プロセスとしては、上記[24]と同様のプロセスを用いることができる。
【0054】
[36] 本発明の他の微小体は、金属酸化物を不活性ガス雰囲気中で還元することにより生成し、グラファイト相の炭素で構成されており、ワイヤ状若しくは円筒状であることを特徴とする。金属酸化物を媒介もしくは促進剤として、不活性の雰囲気中で熱処理を行うことにより、炭素の分解・再構築を行わせて炭素の微小体を得る。この微小体は、上記[11]乃至[20]に係る金属超微粒子を作製する際に、副生成物として得ることができる。
本発明の微小体は、金属酸化物を不活性ガス雰囲気中で還元することにより炭素粒子の形状を再構築した微小体であって、主として炭素で構成されており、ワイヤ状若しくは円筒状の形状を有することを特徴とする。より詳細には、金属酸化物から酸素を奪う還元反応と不活性ガスを利用し、粒子状の炭素を分解・再構築して、炭素の微小体を生成する。金属酸化物は、例えば、金属もしくは合金の酸化物を用いることができる。特に、遷移金属または遷移金属の少なくとも1種を含む合金を用いることが望ましい。さらに好ましくは、磁性金属の酸化物を用いる。例えば、前記金属もしくは合金は、Fe、Ni、Co、それらの少なくとも1種を含む合金から選ぶことができる。
【0055】
[37] 上記[36]において、前記微小体は平均直径が0.5μm以下であることを特徴とする。望ましくは平均直径0.01〜0.5μm、さらに望ましくは平均直径0.05〜0.5μmとする。より詳細には、例えば、直径0.1〜0.3μmとすることができる。なお、原料の金属酸化物として、平均粒径が0.001〜1μmの範囲内にある微細な粉を用いれば、平均直径0.001〜1μmの範囲内の微小体を得ることことができる。より好ましくは平均粒径0.001〜0.05μmの範囲内の金属酸化物を用いて、平均直径0.001〜0.05μmの微小体を得る。平均粒径が小さく且つ粒径分布のシャープな原料を用いることにより、平均直径の小さい微小体を得ることができる。
【0056】
[38] 本発明の他の微小体は、金属酸化物を不活性ガス雰囲気中で還元することにより生成し、円筒状の炭素微小体であって、外径Roと内径Riの比が、(Ri/Ro)≦0.8となる部位を備えることを特徴とする。
(Ri/Ro)の比が1に近いと、壁の厚みが小さくなるので微小体の重量が少なくなり、結果として比表面積が大きくなる。本発明に係る炭素微小体は、(Ri/Ro)の比が1に近い箇所を有するが、内径が小さくなっている箇所もある。例えば、円筒形状の終端や円筒形状が屈曲している箇所において、内径が小さくなる場合があるが、実用的には差し支えない。
この炭素微小体は、チューブの壁を構成するグラファイトの原子層を多層に形成することができ、節や架橋を増やすように生成することもできる。従って、ワイヤ状若しくは円筒状の炭素微小体の壁の厚さを厚くして、(Ri/Ro)が小さい炭素微小体を製造することも可能である。なお、Riはチューブを長手方向にほぼ垂直な断面でみたときの内径(空洞の径に相当)であり、節の断面などは含まない。Roはチューブを長手方向にほぼ垂直な断面でみたときの外径に相当する。
【0057】
[39] 本発明の他の微小体は、金属酸化物を不活性ガス雰囲気中で還元することにより生成し、グラファイト相の炭素を主として構成されており、円筒状であって内部に節もしくは架橋を有することを特徴とする。
ここで、“節”の定義は上記[30]の説明と同様である。
【0058】
[40] 本発明の他の微小体は、金属酸化物を不活性ガス雰囲気中で還元することにより生成し、金属粒子と、前記金属粒子を被覆する炭素被膜と、ワイヤ状若しくは円筒状の炭素を備えることを特徴とする。
前記金属粒子は、遷移金属または遷移金属の少なくとも1種を含む合金で構成されることが望ましい。さらに望ましくは、前記金属粒子を磁性金属で構成する。例えば、前記金属粒子は、Fe、Ni、Co、それらの少なくとも1種を含む合金から選ばれる組成を有するものとする。
【0059】
【発明の実施の形態】
上記[1]乃至[10]のいずれかに係る本発明の実施の形態について、説明する。上記の[1]乃至[10]に係る本発明は、遷移金属の金属粉末原料、なかでもFe、Co、Niなどが窒化ほう素(BN)形成の触媒の役割を果たし、窒素雰囲気中で前記金属粉末とほう素(B)を2000℃付近で加熱すると、金属粒子を核として窒化ほう素が形成することに着目した。さらには出発原料を金属ではなくFe、Co、Niで代表される遷移金属の酸化物にしたところ、800℃〜1700℃で酸化物が還元されると同時に窒化ほう素が形成し、金属粒子が窒化ほう素被膜(BN被膜)に内包された新規な金属超微粒子が生成することを見出したものである。
【0060】
上記[1]〜[10]に係る本発明の出発原料である金属酸化物、ほう素の原料の考え方、および数値限定理由などについて述べる。本発明に係る酸化物を構成する金属(以下、Mとして表わす)としては遷移金属またはそれら合金(特に磁性材料)が好ましい。より好ましくはFe、Co、Ni、Cr、Mn、Mo、Pd、Irまたはそれらを含む合金が適している。Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Mo、Pd、Irは、M−B結合(Bはほう素)の標準生成エンタルピーをHM−B、M−N結合(Nは窒素)の標準生成エンタルピーをHM−N、と表した場合、HM−B<HM−N
という関係が成立し、窒化物よりもほう化物が形成しやすい。その結果、熱処理の初期段階においてほう素を含んだ金属粉末が形成され、窒素がガス状で上記金属粉末の周囲に均一に存在する場合には最終的に上記金属粉末に含まれるほう素と窒素とが結合して金属粒子の表面を均一に窒化ほう素で被覆することが容易である。金属酸化物(M)としては従来より状態図で示されているものでよく、例えばFeの場合はFe、Fe、FeOが挙げられる。
【0061】
また、ほう素供給源となる原料の粉末としてはほう素が適しているが、ほう素を含有する金属であってもよい。ほう素を含有する金属(M)としては、M−B結合の標準生成エンタルピーをHM−B、M−N結合の標準生成エンタルピーをHM−N、と表した場合、
M−B>HM−N
という関係が成立するものが好ましく、Sc、Ti、V、Y、Zr、Nb、La、Hf、Taが挙げられる。
【0062】
(反応過程について)
FeとBが反応することにより、BN被覆Fe粒子、BNチューブ若しくはBNワイヤが生成する反応過程を説明する。図3は反応過程を模式的に示したものである。図3(1.)は原料の状態を表している。図3(2.)は反応の初期段階の様子を示している。すなわちBがFe中の酸素と結合してBが生成し、還元されたFe粒子がBの側近に存在している。Bは液相または気相状態となっている。さらに反応が進行した様子を図3(3.)に示す。この段階ではBがFeと反応することにより、Fe−B化合物が生成する。粉体の組織は図示したように、完全なFe−B化合物の粒、FeへのB拡散が不完全な粒、あるいはFeを芯部として表面付近をFe−B化合物とする粒などが存在する。さらに反応が進行すると図3(4.)に示したように、Fe−B化合物中のBが雰囲気中のN原子と反応しBNの核が粒子表面の至る所に生成する。これらBN核が成長する際、Bが粒子内部から表面へと拡散してくる。その結果、粒子内部はFeのみが残存し、BN被覆されたFe粒子が生成する。またBが過剰に存在する場合は、BNがFeを被覆するに留まらず、チューブ状もしくはワイヤ状となって伸びていく。図3(5.)はBN被覆Fe粒子およびBNチューブの模式図である。
【0063】
金属酸化物の粉末(a粉末)の平均粒径は0.001〜1μmが好ましい。平均粒径0.001μm未満の粉末は作製困難であり実用的でない。平均粒径が1μmを越えると粒の中心部まで酸素を十分に還元することができず、均一な金属粒子を得ることは容易ではない。ほう素粉末(b粉末)の平均粒径は0.01〜100μmが好ましく、さらに1〜50μmが好ましい。0.01μm未満の平均粒径のほう素粉末は高価であり実用的でない。また、平均粒径が100μmを越えると混合粉末中でのb粉末の分散に偏りが生じ、最終的に金属粒子を均一に被覆することが難しくなる。a粉末とb粉末との混合比は、b粉末が質量比で25〜95%の範囲となることが好ましい。b粉末の質量比が25%未満であると、ほう素が不足することにより金属酸化物の還元が不十分となる。ほう素粉末の配合比が95%を越えると還元される金属の体積率が極端に小さくなり実用的ではない。
【0064】
a粉末とb粉末の混合にはV型混合機や、粉砕機(例えば、ライカイ機のように粉砕と混合を兼ねる装置)や、乳鉢などを使用する。混合粉末はアルミナ、窒化ほう素等の耐熱るつぼに所定量を充填して所定の条件で加熱処理される。熱処理時の雰囲気は窒素ガス雰囲気またはアンモニアガス雰囲気またはそれらを含む混合ガス雰囲気中が好ましい。混合ガスはアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスとの混合でもかまわない。空気などの酸素を含むガスは還元反応の妨げとなるため適していない。熱処理温度は800℃〜1700℃が好ましく、さらに好ましくは1000℃〜1400℃の範囲が好ましい。1000℃未満では反応が完了するまでの所要時間が長くなる。800℃未満では反応自体が進行しない。非酸素雰囲気中で1400℃を越えると、炉部材として使用している酸化物セラミックスの分解により酸素が放出されることが懸念されると同時に例えばアルミナ製ルツボが短期間で破損する場合がある。1700℃を越えるとルツボだけでなく、設備自体に耐熱部材の使用が不可欠になり、製造コスト高となり工業化に適していない。
【0065】
つぎに、上記[11]乃至[20]のいずれかに係る本発明の実施の形態について、説明する。上記の[11]乃至[20]が関係する本発明は、遷移金属の金属粉末の原料として、Fe、Co、Niで代表される遷移金属の酸化物を選び、加熱したところ、600℃〜1600℃で酸化物が還元されると共にグラファイトを主体とする炭素が金属粒子の表面に形成されることを見いだした。また、金属粒子が炭素被膜に内包される構成も見出したものである。出発原料の構成元素である遷移金属、なかでもFe、Co、Niは、グラファイト層形成の触媒の役割を果たしていると考えられる。
【0066】
炭素供給源となる原料の粉末としては、グラファイトやカーボンブラック、天然黒鉛等の炭素粉が適しているが、炭素を含む化合物であってもよい。すなわち石炭や活性炭、コークスや脂肪酸、ポリビニルアルコールなどの高分子、B−C化合物、金属を含む炭化物であってもよい。従って、特許請求の範囲や課題を解決するための手段において、“炭素粉末”は、炭素粉や、炭素を含む化合物のいずれも包含する用語として用いている。ただし、被膜の炭素純度を高くするためには、炭素粉を用いるとよい。
【0067】
金属酸化物の粉末(a粉末)の平均粒径は0.001〜1μmが好ましい。平均粒径0.001μm未満の粉末は作製困難であり実用的でない。平均粒径が1μmを越えると粒の中心部まで酸素を十分に還元することができず、均一な金属粒子が得ることは容易ではない。また炭素粉末(b粉末)の平均粒径は0.01〜100μmが好ましく、さらには0.1〜と50μmが好ましい。0.1μm未満の平均粒径の炭素粉末は高価であり実用的でない。また、平均粒径が100μmを越えると混合粉末中でのb粉末の分散に偏りが生じ、最終的に金属粒子を均一に被覆することができなくなる。a粉末とb粉末との混合比は、b粉末が重量比で25〜95%の範囲となることが好ましい。b粉末の重量比が25%未満であると炭素が不足することにより還元反応が十分に進行しない。また粉末bの配合比が95%を越えると還元される金属の体積率が極端に小さくなり実用的ではない。平均粒径を0.001〜1μm、より望ましくは0.01μm〜0.1μmの範囲内とすることは、磁気記録媒体、磁気シールド、電子デバイス等に本発明の金属超微粒子を適用する上で望ましい。
【0068】
a粉末とb粉末の混合にはV型混合機や、粉砕機(例えば、ライカイ機のように粉砕と混合を兼ねる装置)や、乳鉢などを使用する。混合粉末はアルミナ、窒化ほう素、黒鉛等の耐熱ルツボに遷移金属酸化物および炭素化合物の所定量を充填して所定の条件で加熱処理される。熱処理時の雰囲気は不活性ガスであれば限定しないが、窒素ガスや、窒素を主要成分として含んだアルゴンガス等の不活性ガスとの混合雰囲気などを用いることができる。熱処理温度は600℃〜1600℃が好ましく、さらに好ましくは900℃〜1400℃の範囲が好ましい。900℃未満では反応が完了するまでの所要時間が長くなる。また600℃未満では反応自体が進行しない。また非酸素雰囲気中で1400℃を越えると炉部材として使用している酸化物セラミックスの分解により酸素が放出されることが懸念されると同時に例えばアルミナ製ルツボが短期間で破損する場合がある。1600℃を越えるとルツボのみならず設備自体に耐熱部材の使用が不可欠になり、製造コスト高となり工業化に適しない。
【0069】
次いで、上記[21]乃至[31]に関する発明の実施の形態を説明する。
上記[21]乃至[31]に係る本発明によると、遷移金属の酸化物(a粉末)とほう素粉末(b粉末)を窒素雰囲気中で800〜1700℃の温度で加熱すると、上記金属酸化物が窒化ほう素微小体形成の触媒の役割を果たし、平均直径0.5μm以下のワイヤ形状の窒化ほう素微小体粉末を製造できる。従来の技術に比べて窒化ほう素微小体を低温で製造することができる。
【0070】
a粉末の酸化物を構成する金属としては遷移金属またはそれら合金(特に磁性材料)が好ましく、より好ましくはFe、Co、Ni、Cr、Mn、Mo、Pd、Irまたはそれらを含む合金が適している。金属酸化物(M)としては従来より状態図で示されているものでよく、例えばMがFeの場合はFe、Fe、FeOが挙げられる。上記金属酸化物は窒化ほう素形成の過程で還元され、最終的には金属粒子となる。
【0071】
また、b粉末はほう素粉末の他に、ほう素を含有する金属粉末であってもよい。ほう素を含有する金属(M)としては、M−B結合(Bはほう素)の標準生成エンタルピーをHM−B、M−N結合(Nは窒素)の標準生成エンタルピーをHM−N、と表した場合、
M−B>HM−N
という関係が成立するものが好ましい。具体的には、Sc、Ti、V、Y、Zr、Nb、La、Hf、Taが挙げられる。
【0072】
金属酸化物の粉末(a粉末)の平均粒径は0.001〜1μmが好ましい。平均粒径0.001μm未満の粉末は作製困難であり実用的でない。また平均粒径が1μmを越えると粒の中心部まで酸素を十分に還元することができず、触媒として十分機能しない。またほう素粉末(b粉末)の平均粒径は0.01〜100μmが好ましい。0.01μm未満の平均粒径のほう素粉末は高価であり実用的でない。また平均粒径が100μmを越えると混合粉末中でのb粉末の分散に偏りが生じ、最終的に金属粒子を均一に被覆することが難しくなる。a粉末とb粉末との混合比は、b粉末が重量比で25〜95%の範囲となることが好ましい。b粉末の重量比が25%未満であるとほう素が不足して窒化ほう素の生成が不十分となる。また粉末bの配合比が95%を越えると粉末aが少なくなって触媒機能が低下し、窒化ほう素の形成が不十分となる。
【0073】
上記a粉末とb粉末の混合にはV型混合機や乳鉢などを使用する。混合粉末はアルミナ、窒化ほう素等の耐熱ルツボに所定量を充填して所定の条件で熱処理される。熱処理時の雰囲気は窒素ガス雰囲気または窒素ガスを含む混合ガス雰囲気中が好ましい。混合ガスにおいてはAr、He等の不活性ガスとの混合でもかまわない。空気などの酸素を含むガスは適していない。熱処理温度は800℃〜1700℃が好ましく、更に好ましくは1000℃〜1400℃の範囲が好ましい。1000℃未満では反応が完了するまでの所要時間が長くなる。800℃未満では反応自体が進行しない。不活性ガス雰囲気中で1400℃を越えると、炉部材として使用している酸化物セラミックスの分解により酸素が放出されることが懸念されると同時に例えばアルミナ製ルツボが短期間で破損する場合がある。1700℃を越えるとルツボのみならず設備自体に耐熱部材の使用が不可欠になり、製造コスト高となり工業化に適していない。
【0074】
上記方法によって得られた窒化ほう素粉末は、X線回折測定により結晶構造を同定すると図18のように六方晶の窒化ほう素(h−BN)と菱面体の窒化ほう素(r−BN)の二つのピークを検出できる。なお、図18は後述の参考例2で得た粉末を測定したものである。更にTEM観察により粉体組織を観察すると、図19のようにワイヤ状の窒化ほう素が形成していることが確認でき、格子像の観察からh−BNであることを同定した。
【0075】
次いで、上記[32]乃至[40]に関する発明の実施の形態について説明する。上記[32]乃至[40]に係る本発明によると、遷移金属の酸化物(a粉末)と炭素粉末(b粉末)を不活性ガス雰囲気中で600〜1600℃の温度で加熱すると、上記金属酸化物が炭素微小体形成の触媒の役割を果たし、平均直径0.5μm以下のワイヤ形状の炭素微小体粉末を製造できる。
【0076】
a粉末の酸化物を構成する金属としては遷移金属またはそれら合金(特に磁性材料)が好ましい。金属酸化物(M)としては従来より状態図で示されているものでよく、例えばMがFeの場合はFe、Fe、FeOが挙げられる。上記金属酸化物は炭素形成の過程で還元され、最終的には金属粒子となる。
【0077】
またb粉末としてはグラファイトやカーボンブラック、天然黒鉛等の炭素粉が適しているが、炭素を含む化合物であってもよい。すなわち石炭や活性炭、コークスや脂肪酸、ポリビニルアルコールなどの高分子、B−C化合物、金属炭化物であってもよい。
【0078】
金属酸化物の粉末(a粉末)の平均粒径は0.001〜1μmが好ましい。平均粒径0.001μm未満の粉末は作製困難であり実用的でない。また平均粒径が1μmを越えると粒の中心部まで酸素を十分に還元することができず、触媒として十分機能しない。また炭素粉末(b粉末)の平均粒径は0.01〜100μmが好ましい。0.01μm未満の平均粒径の炭素粉末は高価であり実用的でない。a粉末とb粉末との混合比は、b粉末が重量比で25〜95%の範囲となることが好ましい。b粉末の重量比が25%未満であると炭素が不足する。またb粉末の配合比が95%を越えるとa粉末が少なくなって触媒機能が低下する。
【0079】
上記a粉末とb粉末の混合にはV型混合機や乳鉢などを使用する。混合粉末はアルミナ、窒化ほう素等の耐熱ルツボに所定量を充填して所定の条件で熱処理される。熱処理時の雰囲気は不活性ガス雰囲気中が好ましい。空気などの酸素を含むガスは適していない。熱処理温度は600℃〜1600℃が好ましく、更に好ましくは900℃〜1400℃の範囲が好ましい。900℃未満では反応が完了するまでの所要時間が長くなる。600℃未満では反応自体が進行しない。不活性ガス雰囲気下で1400℃を越えると、炉部材として使用している酸化物セラミックスの分解により酸素が放出されることが懸念されると同時に例えばアルミナ製ルツボが短期間で破損する場合がある。1600℃を越えるとルツボのみならず設備自体に耐熱部材の使用が不可欠になり、製造コスト高となり工業化に適していない。
【実施例】
【0080】
以下、実施例により本発明を説明する。ただし、これら実施例により本発明が必ずしも限定されるものではない。
(実施例1)
平均粒径0.6μmのα−Fe粉(a粉末)5gと平均粒径30μmのほう素粉(b粉末)5gとを各々秤量し、b粉末の配合比が質量比で50%になるよう各粉末をV型混合機に投入して10分間混合した。この混合粉末をアルミナ製ボートに適量充填し、炉の中に配置し、流量が2(l/min)の窒素ガス気流中で、室温から3℃/minの速度で昇温した後、1100℃で2時間保持して室温まで炉冷した。熱処理前の混合粉末は赤黒色であったが、熱処理後の粉末は灰白色に変色していた。熱処理前後の各粉末についてX線回折測定(Cu,Kα線)を行なったところ、図1(熱処理前)および図2(熱処理後)に示すような回折パターンが得られた。上記熱処理を施した粉末からは主に六方晶の窒化ほう素(h−BN)の(002)ピークとα−Feの(110)ピークを検出した。リガク製解析ソフト「Jade5」を用いてFeの(110)ピークから計算したFeの粒子径は89nmであった。また、表1にX線回折パターンより検出した各相およびFeの粒子径をまとめた。さらに、この灰白色粉の磁気特性をVSMにて測定した結果を表2に示す。飽和磁化は後述する比較例2の値の20倍以上であり、X線回折測定の結果と合わせてFeがFeに還元されていることがわかる。さらに、この灰白色粉から永久磁石で吸い上げた粉末だけをPCT試験機にて湿度100%、120℃で24時間耐食試験を行なった後、灰化法によって酸素分析を行なった。得られた結果を表3に示した。
【0081】
(実施例2)
Fe粉代わりにFe粉(平均粒径0.5μm)を用いた以外は実施例1と同様にして灰白色粉末を作製し、X線回折、VSM測定およびPCT試験を行なった。
【0082】
(参考例1)
ほう素粉末(b粉末)の配合比を質量比で20%とした以外は実施例1と同様にして混合粉末を熱処理してX線回折、VSM測定を行なった。
(比較例1)
熱処理温度を500℃とした以外は実施例1と同様にして混合粉末を熱処理してX線回折、VSM測定を行なった。
(比較例2)
平均粒径20nmのFe粉(真空冶金株式会社製超微粒子)について、実施例1と同条件で耐食試験を行なった。結果を表3に示す。
【0083】
【表1】

Figure 0003734170
【0084】
【表2】
Figure 0003734170
【0085】
【表3】
Figure 0003734170
【0086】
(実施例3)
Niを含有するFeの酸化物の粉末5gと、ほう素粉5gをV型混合機に投入して混合した。この混合粉末をアルミナ製ボートに適量充填し、炉の中に配置し、流量が2(l/min)の窒素ガス気流中で、室温から3℃/minの速度で昇温した後、1100℃で2時間保持して室温まで炉冷した。熱処理後の粉末について観察したところ、窒化ほう素で表面を被覆した金属粒子を得た。組成分析したところ、金属粒子はNiを含有するFeであることがわかった。
【0087】
(実施例4)
金属粒子とBNまたはC分離操作について説明する。図4は、BN被覆金属粒子およびBN微小体の製造工程図を示すものである。被覆金属粒子を製造する場合、製造工程は図4のS1→S2→S3→S4となる。S2では原料の粉末を入れた窒化ほう素製ルツボ42を管状炉43中で熱処理した。S2で得られた熱処理粉末は被覆金属粒子と微小体の混合粉末41であるため、被覆金属粒子はS3、S4の分離精製の工程を経て回収された。S3工程では、熱処理粉末をアセトンやエタノールなどの有機溶媒で代表される媒体45中に分散させたものを洗浄槽44で攪拌させ、被覆金属粒子を自然沈降させた。攪拌の手段として洗浄槽44に超音波を印加すべく超音波洗浄装置46を用いた。なお、超音波印加に代えて、ガラス棒による手動攪拌やペンシルミキサーなどの攪拌機を攪拌の手段として使用したところ、十分に攪拌することができた。
【0088】
S4工程では、上澄み液47を取り除いて沈殿物を乾燥させることにより被覆金属粒子48が回収された。同時に上澄み液を乾燥させるとBN微小体が回収された。上記工程ではBN被覆金属粒子とBN微小体を同時に得ることが出来た。特にBN微小体のみを製造する場合、製造工程は図4のS1→S2→S5→S6としてもよい。S5工程は、塩酸や硫酸などの酸性溶液によって熱処理粉末中の金属粒子を溶解させる工程である。酸性溶液中に熱処理粉末を浸漬させた後、沈殿物を回収した。S6工程は、沈殿物を水洗した後、乾燥させる工程である。S5で得られた沈殿物に純水を適量注ぎ、ガラス棒などで攪拌した後、再び沈殿させて上澄み液を除去後、乾燥させることによりBN微小体が得られた。酸性溶液の完全除去のために、S6工程は数回繰り返すことが好ましい。なお上記製造工程は炭素で被覆された金属粒子および炭素微小体を製造する工程にも適用することができた。
【0089】
図5は、電子顕微鏡(TEM)で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真であり、BN被覆したFe粒子を示している。図6は、図5の構造を模式的に説明するための概略図である。図6に示すように、Fe粒子1は周囲をBN膜2で被覆されている。BN被膜の様子をさらに拡大した写真を図7に示す。
【0090】
図7は、電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真であり、BN被覆したFe粒子を示している。図8は、図7の構造を模式的に説明するための概略図である。図7に示すように、Fe粒子1の表面に被覆されたBN膜には、積層された結晶格子の縞模様が認められる。格子面3の部分は、格子面がFe粒子1の表面に沿って、複数の格子面がほぼ並行に積層されている。格子面4や格子面5の部分は、格子面同士が平行でない箇所を有するが、Fe粒子1の表面を十分に被覆していることがわかる。
【0091】
(実施例5)
平均粒径0.03μmのα−Fe23粉(a粉末)5gと平均粒径20μmの炭素粉(b粉末)5gとをV型混合機に投入して10分間混合した。この混合粉末51を窒化ほう素製ルツボ52に適量充填し、管状炉53内に前記ルツボ52を設置して流量2l/minの窒素ガス気流中で、室温から3℃/minの速度で昇温した後、1000℃で2時間保持して室温まで3℃/minの速度で炉冷した。管状炉の構造は図17の概略図に示す。熱処理前後の各粉末についてX線回折測定(Cu,Kα線)を行なったところ、図9(熱処理前)および図10(熱処理後)に示すような回折パターンが得られた。上記熱処理を施した粉末からは主にグラファイトの(002)ピークとα−Feの(110)ピークを検出した。さらに上記熱処理後の粉末の磁気特性をVSM(試料振動型磁力計)にて測定した結果を表4に示す。飽和磁化は比較例4の値の100倍程度であり、X線回折測定の結果と合わせてFe23がFeに還元されていることがわかる。上記熱処理後の粉末をPCT試験機(プレッシャークッカーテスト試験機)にて湿度100%、120℃、1気圧で24時間曝した後、粉末の含有酸素量を金属中酸素・窒素・水素分析装置(堀場製EMGA−1300)にて分析した。酸素量の分析結果を表5に示した。PCT試験後も酸素量の増分がなく、Fe粉表面がグラファイト膜で被覆されていることを裏付ける。なお、上記金属中酸素・窒素・水素の分析は、黒鉛ルツボに試料粉末0.5gを充填し、ルツボを2000〜3000℃へ急速加熱することにより試料中のO,N,Hを熱分解し、ガスクロマトグラフと熱伝導度検出器により、発生したCO,N,HOガスを検出することによってO,N,Hの含有量を分析する方法である。
【0092】
(比較例3)
熱処理温度を500℃とした以外は実施例5と同様にして混合粉末を熱処理してX線回折、VSM測定、PCT試験を行なった。X線回折パターンは熱処理前後で変化がみられず、反応が進行していない。飽和磁化の値も殆ど変化していない。
【0093】
(比較例4)
平均粒径0.02μmのFe粉(真空冶金株式会社製超微粒子)を実施例5と同条件で耐食試験を行なった。飽和磁化は純鉄の値(約260×10−6wb・m/kg)の30%程度まで低下している。
【0094】
【表4】
Figure 0003734170
【0095】
【表5】
Figure 0003734170
【0096】
図11は、TEM(透過型電子顕微鏡)で観察した実施例5に係る金属超微粒子の構造の顕微鏡写真である。TEM観察するにあたり、必要とされる試料調整以外、粒子への損傷や変異などを与える加工は一切施していない。図12は、図11の構造を模式的に説明する概略図であり、若干拡大している。金属超微粒子11は、α−Feの粒子12の表面が全て所定の厚さのグラファイト薄膜20で被覆された粒子である。この被覆はα−Feの粒子12の表面を保護しており、効果的に酸化防止している。グラファイト薄膜20の外側に散在する凸部21,21bは、グラファイトの異層が成長したものか、異物が付着したもののいずれかと推定される。α−Feの粒子11自体の明暗のパターン13a,13b,13cは、α−Feの粒子11の形状(略球形)に起因する干渉パターン(2点鎖線で表示)である。α−Feの粒子の両端では、グラファイト薄膜の境界14が若干不明瞭に撮影されているため、点線で表示した。これは略球形の形状により全てに焦点を合わせることが難しいためであり、実際の形状が不明瞭になっている訳ではない。1点鎖線で輪郭を表示した領域は、金属超微粒子11をTEM観察のサンプルホルダーに固定させるためのコロジオン膜15である。符号16の線と符号は、その3本線の長さが20nmに相当するスケールである。図11を撮影した際のスケールをコピーして図12に付け加えた。
【0097】
図13は、TEM(透過型電子顕微鏡)で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真であり、図11の左下半分近傍を拡大してグラファイト薄膜20の様子を説明するものである。図13の構造を図14の概略図で模式的に説明する。グラファイト薄膜20は、グラファイトの結晶構造を主として構成されている。例えば、格子縞20a,20b,20cは、グラファイトの層状格子面を表しており、格子縞の間隔がほぼ等間隔であり、α−Feの粒子12の表面に対してほぼ平行に配列している。
【0098】
ただし、α−Feの粒子は球状であって、その表面には多少の凹凸があることから、グラファイト薄膜の一部には、格子縞20fのようにα−Feの粒子12の表面に対して傾斜している箇所もある。格子縞20fは他の格子縞20eを派生し、さらに、格子縞20dとなっている。線の図示を省略したが、格子縞20dはα−Feの粒子12の表面に対してほぼ平行に配列している。このように、グラファイト薄膜には、層状格子面の配列の向きが変化したり、配列の状態が不鮮明になる箇所(梨地模様に見える箇所)が存在するが、隣接する結晶構造同士で整合を取ったり、α−Feの粒子12の表面に対して結晶構造の面が平行になるように成長するために、ほぼ均一なグラファイト薄膜の被覆が構成されている。
【0099】
図14のグラファイト薄膜20において、格子縞の一部を実線や点線で模式的に図示している。図示を省略しているが、空白の部分にも結晶構造は存在する。また、α−Feの粒子12の表面とグラファイト薄膜20の間には、中間層25があると推定されるが、その詳細は図15及び図16にて説明する。
【0100】
図15は、TEM(透過型電子顕微鏡)で観察した本発明に係る粒子の構造の顕微鏡写真であり、図13のグラファイト薄膜20近傍をさらに拡大した写真である。図16は、図15の構造を模式的に説明する概略図であり、若干拡大している。α−Feの粒子12では、矢印aの向きに沿って格子縞24が見られ、α−Feの特有の結晶面を示している。Fe原子の並びが数珠つなぎになっている様子を克明に模写することは難しいので、点線で表示した。α−Feの粒子12の表面近傍では、前記の矢印aに沿った格子縞が崩れているが、その配列の端が平坦な面を構成しており、グラファイトの結晶が徐々に成長していく起点(グラファイトの成長層)となっている。以下、これらの領域を中間層25と称する。中間層25を経てグラファイト薄膜20は成長し、形成される。
【0101】
図16に示すように、α−Feの粒子12の表面が比較的滑らかな球面(平坦面)であれば、グラファイトの層状格子面22は矢印dに沿った面となり、規則的に平行に配列しながら成長するため、緻密で非常に薄い被覆を構成する。ここで、緻密とは規則的な格子面が積層している部分を有することを指す。矢印dに垂直な方向に、層状格子の面が、15〜17層積層して非常に薄く被膜を構成していた。中間層25の厚さは、グラファイトの層状格子面22の間隔で言うと、1〜2層に見える。成長し始めたグラファイトの結晶面も中間層に含めると、中間層15の厚さは、グラファイトの層状格子面22の間隔でいうと、2〜4層程度である。
【0102】
転位した箇所23は、結晶成長にズレが生じ、結晶構造が不連続化した部分と推定される。層状格子が成長して積層構造となるときに、格子の欠陥に起因して、ある部分の成長が1層分遅れたとする。ある部分の成長が再開されたとき、ある部分のn−1層目の格子面と隣接する部分のn層目の格子面が結合して1つの面(転位した面)を構成することがある。転位した面の発生率は高くなく、被膜全体でみると均一で緻密な薄膜といえる。なお、グラファイト薄膜20の表面には凸部21bが存在するが、図15の写真では鮮明には撮影されなかったため、その箇所を点線で表示した。
【0103】
参考例2
平均粒径0.03μmのヘマタイト(Fe)粉末3gと平均粒径26μmのほう素粉末7gをV型混合機に投入して10分間混合した。この混合粉末121を窒化ほう素製の坩堝122に充填して管状電気炉123に設置し、流量2(l/min)の窒素ガス気流中で、室温から3(℃/min)の速度で昇温した後、1100℃で2時間保持して室温まで炉冷した。熱処理前の混合粉末は赤黒色であったが、熱処理後の粉末は灰白色に変色していた。熱処理後の粉末についてX線回折測定(Cu,Kα線)を行なったところ、図18に示すような回折パターンが得られ、上記熱処理を施した粉末からは六方晶の窒化ほう素(h−BN)と菱面体の窒化ほう素(r−BN)、およびα−Feの回折ピークを検出した。窒化ほう素とFeを分離するため、アセトン500cc(0.5×10−3)の中に上記粉末5gを投入して5分間超音波洗浄を施し、上澄み液と沈殿物を分離した。上澄み液127をドラフト内で更に24時間放置してアセトンを乾燥させ、窒化ほう素粉末128(重量6g)を回収した。
【0104】
この窒化ほう素粉末を透過型電子顕微鏡(TEM)にて観察したところ、図19の写真に示すようなワイヤ状の組織が観察された。格子像を解析すると、この窒化ほう素ワイヤは菱面体構造であった。流量の単位は(l/min)≒約16.7×10−6(m/s)に相当する。参考例2の製造工程は、粉末混合工程(S11)、雰囲気中熱処理工程(S12)、粉末を分散させた媒体への超音波印加工程(S13)、窒化ほう素微小体の分離・乾燥工程(S14)を有し、図22の工程フローと概略図に対応する。同図中、符号124は洗浄槽、符号126は超音洗浄機、符号125は熱処理後の粉末を分散させた溶媒(アセトン)に相当する。なお、生成した粒子を分散させるべく超音波を印加できるのであれば、洗浄機に限らず使用することができる。
【0105】
図20は、図19の写真の構造を模写した概略図であり、ワイヤ状の窒化ほう素微小体を示す。この窒化ほう素微小体101は、内部に空洞102を有するチューブ103が多数個連結して、長い屈曲したチューブ状を構成している。一方の端はチューブ103の構造で終端されている。他方の端は、チューブ103であるr−BN組織と、h−BN的な部位112bが混在した組織を経て、h−BN組織112で終端されている。図20中、点線で表示した曲線は、電子顕微鏡のサンプルホルダーに窒化ほう素微小体101を固定するためのコロジオン膜の外延を表している。図20の方形の囲いの右外の線と文字は、線の長さが200nmの寸法に対応することを示す。
【0106】
図21は、図20中の窒化ほう素チューブのみを抜粋・拡大した概略図である。チューブの先端近傍111は、チューブの途中の部分と重なって見えており、明瞭ではない為に先端が閉鎖されているかは定かでない。この先端近傍から、空洞102とそれを囲うチューブ103の構造が続いており、途中、チューブ間の節104と考えられる部位や、チューブの厚さが厚いか斜めに観察する為に厚く見える箇所と考えられるコブ105が存在する。連続するチューブの向きは、例えば屈曲部110で大きく屈曲しているように見える。チューブの厚さは必ずしも一様に見えておらず、コブ105や節だけでなく、複雑な線や脈理に見える構造を伴いながら空洞102を形づくっている。チューブ構造は先端近傍111から節104bまで明瞭に観察され、チューブの直径は0.12〜0.20μm(120〜200nm)である。この辺りは結晶組織が複雑であるため、r−BNとh−BNが混在しているか、混相となっていると推測される。異相の混在は、チューブの屈曲と関係すると考えられる。明瞭にパイプ状に見えるチューブ103の結晶構造を拡大観察すると、原子の並びが3層周期を繰り返すr−BNとなっており、その周期の繰り返し方向は、チューブの直径方向を向いている。
【0107】
参考例3
平均粒径0.03μmのα−Fe23粉(a粉末)5gと平均粒径20μmの炭素粉(b粉末)5gとをV型混合機に投入して10分間混合した。この混合粉末251を窒化ほう素製ルツボ252に適量充填し、管状炉253にて流量2l/minの窒素ガス気流中で、室温から3℃/minの速度で昇温した後、1000℃で2時間保持して室温まで3℃/minの速度で炉冷した。流量の単位は(l/min)≒約16.7×10−6(m/s)に相当する。
【0108】
熱処理前後の各粉末についてX線回折測定(Cu,Kα線)を行なったところ、図23(熱処理前)および図24(熱処理後)に示すような回折パターンが得られた。上記熱処理を施した粉末からは主にグラファイトの(002)ピークとα−Feの(110)ピークを検出した。図24にて、○印はグラファイトの結晶構造に対応するピークであり、■印はα−Feの結晶構造に対応するピークであり、横軸は回折角度の2θ(°)、縦軸は回折X線の強度(cps)である。グラファイトの最大強度のピークは半値幅が約0.2°となっており、熱処理後の粉末の結晶性はよい。さらに、図23と図24に対応した熱処理前後の粉末について磁気特性をVSM(試料振動型磁力計)にて測定した所、飽和磁化は前者で1.30×10−6Wb・m/kg、後者で131×10−6Wb・m/kgであった。以上より、FeがFeに還元されていることがわかる。
【0109】
上記熱処理後の粉末をTEM(透過型電子顕微鏡)観察した所、図25に示すようなチューブ状の微小体が確認された。図25は電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真である。EDX(エネルギー分散型X線検出器)による組成分析の結果、微小体の先端の黒色粒子はFeであり、チューブはC(炭素)であることが判明した。
【0110】
図26は、図25の写真の構造に対応する概略図である。炭素微小体201は、Fe粒子202をベースにして炭素のチューブ203が曲線状に成長した構造である。チューブ203の内部には複数の節204が存在し、対向する節とチューブの壁203bに囲われた領域は空洞205を構成する。チューブ203の他端は閉じられており、先端部206となっている。この炭素微小体201において、チューブの成長方向が曲がっていることは、チューブの壁の厚さや節の間隔が均一ではないことと関係すると考えられる。特に、チューブの壁203c,203eの箇所はチューブの厚さが薄い。
【0111】
もう一つの炭素微小体207は、Fe粒子208をベースにして炭素のチューブ209が曲線状に成長するとともに、先端に他のFe粒子213を包含する構造である。チューブ209の内部には複数の節210が存在し、対向する節とチューブの壁に囲われた領域は空洞211を構成する。Fe粒子213の近傍にあるFe粒子220はチューブの壁220等により隔てられているように見える。この炭素微小体207にて、Fe粒子213はチューブの成長当初から付いていたものか、チューブが成長した過程で取り込んだものかは定かでない。なお、Fe粒子208やチューブの壁212は、炭素微小体201と重複して見えているだけで、接続はされていない。さらに、他のFe粒子214は単独で存在している。同図中、直線若しくは屈曲した一点鎖線は原料の炭素215,216の輪郭を表している。曲線状の一点鎖線は炭素微小体等を電子顕微鏡のサンプルホルダーに固定するためのコロジオン膜217,218の輪郭を表している。符号219は、図26の寸法を判りやすくするために記入したスケール表示であり、元の図25にそのような構造がある訳ではない。スケール表示の3本線の長さは100nmに相当する。
【0112】
図25の写真に基づいて、各々の炭素微小体の外径Roと内径Riの比を測定した。任意の箇所について測定し、(Ri/Ro)=0.67、0.75、0.40、0.69、0.57、0.63、0.75、0.44というようなデータを得た。参考例3の条件を変えて炭素微小体を製造すると、平均外径や平均内径も変えることができた。これらの条件変更を考慮すると、(Ri/Ro)の上限を0.8とすることができる。
【0113】
図27は、電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真である。図25において、Fe粒子202とチューブ203の接合箇所の近傍を拡大したものである。図28は、図27の写真の構造に対応する概略図である。なお、図28は、説明し易くするために、図27の結晶組織の主要な部分のみを実線や点線に代えて表現した。従って、点線でハッチングした領域の周囲が空白であったとしても、その部分は記載を省略しているだけである。
【0114】
図28によると、Fe粒子202では、ほとんどの領域で特定の結晶面に沿った表面を有するように見える組織となった。以下、Fe主相220,221と称する。Fe主相220の左側には、配列の面の向きが異なる相225や、梨地模様に見える異相226などが観察された。なお、平行に配置した点線でFe主相220等を表現したが、点間隔や線間隔は必ずしも図27と一致するものではない。線の配列の向き等を判り易く説明するために描いたものである。
【0115】
図28中の炭素のチューブについて説明する。仮想的な境界線227およびFe主相221から先にはチューブ203が生成されている。筒状のチューブの壁の中が節236、239で仕切られた構造であることが判る。節236とFe粒子202とチューブの壁で囲われた領域、または節236,239とチューブの壁で囲われた領域は空洞となった。
【0116】
チューブの壁は、結晶の配列がグラファイト構造的な相を主として構成されている。以下、グラファイトとそれに類似の組織を併せてグラファイト相と称する。グラファイト相は、結晶の配列が特定の面に沿って積層したように見えるという点で、Feよりも明瞭である。チューブの壁の成長方向に対してグラファイト相230,231,232,233,237,238,240の面は、平行若しくは略平行と言える。これらに対して、節236,239ではグラファイト層の面は、チューブの壁の成長方向に対して直交若しくは略直交と言える。節236の左側の付け根では、グラファイト層の向きが下向きの層234と上向きの層235にY字状に分かれており、樹木の幹と枝の如き組織を呈している。節239の付け根はチューブの壁にほぼ直交しており、節の組織は少なくとも2通りあると考えられる。グラファイト相242は架橋もしくは節と考えているが、他の構造体のグラファイト相242が紛れこんでいるため、断定はできない。
なお、グラファイト層の原子配列の積層の様子は、グラファイト層235,238や節236,239に表現したように間隔が狭い。全ての層を同様に図示すると複雑になるため、他の部分では層の数を減らして図示した。また、一層一層が明瞭に判る場合には線で図示したが、途切れ途切れで続いているように見える場合には、点線で表示した。
【0117】
上記熱処理後の粉末5gをアセトン500ccの中に投入して5分間超音波洗浄を施し、上澄み液と沈殿物を分離した。上澄み液257をドラフト内で更に24時間放置してアセトンを乾燥させ、炭素微小体の粉末258を得た。粉末258は粗大遷移金属粒子等を除くことにより、炭素微小体の割合を向上させたものである。
【0118】
参考例3の製造工程は、粉末混合工程、雰囲気中熱処理工程、粉末を投入した媒体への超音波印加(分散工程)、粗大遷移金属粒子などの分離および乾燥工程を有し、図29の工程フローと概略図に対応する。同図中、符号254は洗浄槽であり、符号255は熱処理後の粉末を分散させた溶媒(アセトン)であり、符号256は超音波洗浄装置に相当する。なお、生成した各粒子を溶媒中に分散させるべく超音波を印加できるものであれば、洗浄装置に限らず使用することができる。
【0119】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金属超微粒子およびその製造方法を用いることにより、安全且つ簡便で工業的利用に適した被膜を金属粒子表面に付与した金属超微粒子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 熱処理前の混合粉末のX線回折パターンを示すグラフである。
【図2】 熱処理後の混合粉末のX線回折パターンを示すグラフである。
【図3】 FeとBが反応することにより、窒化ほう素被覆Fe粒子等が生成する反応過程を説明する概略図である。
【図4】 窒化ほう素被覆金属粒子および窒化ほう素微小体の製造工程図である。
【図5】 電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真である。
【図6】 図5の構造を模式的に説明するための概略図である。
【図7】 電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真である。
【図8】 図7の構造を模式的に説明するための概略図である。
【図9】 熱処理前の混合粉末のX線回折パターンを示すグラフである。
【図10】 熱処理後の混合粉末のX線回折パターンを示すグラフである。
【図11】 電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真である。
【図12】 図3の構造を模式的に説明するための概略図である。
【図13】 電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真である。
【図14】 図5の構造を模式的に説明するための概略図である。
【図15】 電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真である。
【図16】 図7の構造を模式的に説明するための概略図である。
【図17】 実施例1の製造工程で用いる管状炉の概略図である。
【図18】 本発明の粉末のX線回折パターンを示すグラフである。
【図19】 電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の写真である。
【図20】 図19の写真の構造に対応する概略図である。
【図21】 図20の一部を拡大した概略図である。
【図22】 参考例2の製造工程を説明するフロー及び概略図である。
【図23】 熱処理前の混合粉末のX線回折パターンを示すグラフである。
【図24】 熱処理後の混合粉末のX線回折パターンを示すグラフである。
【図25】 電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真である。
【図26】 図25の写真の構造に対応する概略図である。
【図27】 電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真である。
【図28】 図27の写真の構造に対応する概略図である。
【図29】 参考例3の製造工程を説明する工程フロー及び概略図である。
【符号の説明】
1 Fe粒子、 2 BN被膜、 3 格子面、 4 格子面、
5 格子面、
11 金属超微粒子、 12 α−Feの粒子、
13a 13b 13c パターン、
14 グラファイト薄膜の境界、 15 コロジオン膜、
16 スケール、 20 グラファイト薄膜、
20a 20b 20c 格子縞、
20e 格子縞、 20d 格子縞、 20f 格子縞、
21 21b 凸部、
22 層状格子面、
23 転位した箇所、 24 格子縞、
25 中間層、 27 グラファイトの成長層、
41 混合粉末、 42 窒化ほう素製ルツボ、 43 管状炉、
44 洗浄槽、 45 媒体、 46 超音波洗浄装置、
47 上澄み液、 48 被覆金属粒子、
51 混合粉末、 52 窒化ほう素製ルツボ、 53 管状炉、
101 窒化ほう素微小体、 102 空洞、 103 チューブ、
104 104b 節、
105 コブ、 110 屈曲部、 111 先端近傍、
112 h−BN組織、 112b h−BN的な部位、
113 コロジオン膜、 121 混合粉末、 122 坩堝、
123 管状電気炉、 127 上澄み液、 128 窒化ほう素粉末、
201 炭素微小体、 202 Fe粒子、 203 チューブ、
203b チューブの壁、
203c 203e チューブの壁、
204 節、 205 空洞、 206 先端部、
207 炭素微小体、 208 Fe粒子、 209 チューブ、 210 節、
211 空洞、 212 チューブの壁、 213 Fe粒子、
214 Fe粒子、
215 216 原料の炭素、
217 218 コロジオン膜、
219 スケール表示、 220 Fe粒子、
220 221 Fe主相、
224 227 仮想的な境界線、
225 配列の面の向きが異なる相、 226 梨地模様に見える異相、
230 231 232 233 237 238 240 グラファイト相、
234 235 グラファイト相、
236 239 節、
241 グラファイト相、 242 他の構造体のグラファイト相、
251 混合粉末、 252 窒化ホウ素製ルツボ、 253 管状炉、
254 洗浄槽、 255 熱処理後の粉末を分散させた溶媒、
256 超音波洗浄装置、 257 上澄み液、 258 炭素微小体の粉末[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a metal particle used as a raw material for a magnetic recording medium such as a magnetic tape and a magnetic recording disk, and an electronic device (soft magnetic shape body such as a yoke) such as a radio wave absorber, an inductor, and a printed board, and a method for manufacturing the same. Furthermore, the present invention relates to a micro object that is a by-product when forming metal particles and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
  As electronic devices become smaller and lighter, the raw materials that make up electronic devices themselves are also required to be nanosized. At the same time, device performance must be improved. For example, for the purpose of improving the magnetic recording density, it is required to simultaneously increase the nanosize and the magnetization of the magnetic particles applied to the magnetic tape.
[0003]
  Conventionally, ferrite powder has been mainly used for magnetic recording media, but there is a problem that the magnetization is small and the signal strength is low. In order to obtain sufficient output characteristics, metal magnetic particles represented by Fe and Co are suitable. For example, if the particle diameter is reduced to 1 μm or less for high recording density, the metal particles are resistant to oxidation. Since it is active, the oxidation reaction proceeds vigorously in the atmosphere, and a part or all of the metal is transformed into an oxide and the magnetization is lowered. In order to improve the handling of fine metal particles, a method of coating the surface of magnetic particles containing Fe and Co with a ferrite layer (for example, Patent Document 1), a method of coating an Fe powder surface with graphite (for example, Patent Document 2) ) Etc. have been proposed.
[0004]
  In the metal particles having a particle size of 1 μm or less as in the above example, in order not to impair the function as a metal, a coating is applied to the particle surface so that the particles are not directly exposed to the atmosphere (oxygen). It is essential. However, the method of covering the surface with a metal oxide as in Patent Document 1 oxidizes and degrades the metal to some extent.
  Further, when the metal particles are coated with graphite as in Patent Document 2, in order to coat, the metal must be heat-treated at an extremely high temperature of 1600 ° C. to 2800 ° C. in order to create a state in which the metal melts carbon. Don't be. Metal carbonization and graphite CO2There is a concern about conversion. As a coating method that overcomes these problems, there is a method of coating metal particles with boron nitride (BN) (for example, Non-Patent Document 1). BN is a material used for “crucibles”, has a high melting point of 3000 ° C. and excellent thermal stability, and has low reactivity with metals. It also has an insulating property. The production method for applying a BN film to metal particles is as follows: (1) a mixed powder of metal and B is heated by arc discharge in a nitrogen atmosphere, or (2) a mixed powder of metal and B is mixed in a mixed atmosphere of hydrogen and ammonia. There are methods such as heating, or (3) heat-treating a mixture of metal nitrate, urea and boric acid in a hydrogen atmosphere.
[0005]
[Patent Document 1]
        JP 2000-30920 A (pages 9-11, FIG. 2)
[Patent Document 2]
        JP-A-9-143502 (pages 3-4, FIG. 5)
[Non-Patent Document 1]
        “International Journal of Inorganic Materials 3 2001”, 2001, p. 597
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
  In the BN coating method, since the manufacturing methods (1) and (2) use metal particles as a raw material, there is a risk of ignition due to a rapid oxidation reaction, particularly when handling ultrafine particles having a particle size of 1 μm or less. In the production method (3), toxic gas (NOx) Occurs. In addition, the method using arc discharge in the production method (1) is not suitable for industrial use because not only the processing amount is low and the productivity is low, but also the reaction temperature is high around 2000 ° C. Moreover, since the hydrogen gas used by manufacturing method (2) and (3) has a danger of explosion, it is not preferable to utilize industrially. In addition, the coated metal particles obtained by the conventional technique have a problem that the saturation magnetization is deteriorated by modifying a part of the metal particles.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  The inventors have completed the present invention as a result of earnestly examining ultrafine metal particles in which a coating suitable for industrial use is coated on the surface of the metal particles and a method for producing the same in a safe and simple manner in order to solve the above problems. It came to do.
[0008]
  [1] The ultrafine metal particles of the present inventionA powder obtained by mixing a powder containing metal oxide and boron is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen,Metal particles obtained by reducing metal oxide, and the surfaces of the metal particles are coated with boron nitride, and the average particle size is 1 μm or less. Desirably, the average particle size is in the range of 0.001 to 1 μm. More desirably, the average particle diameter is 0.01 μm to 0.1 μm. When the particle size is 0.1 μm or less, the effect of preventing oxidation by coating the surface with boron nitride is particularly remarkable. Further, for example, ultrafine metal particles having an average particle diameter of 0.2 to 0.5 μm and excellent in oxidation resistance can be obtained.
[0009]
  The sample is observed with an electron microscope and the average particle size is measured. For example, an electron micrograph of a sample is taken. Measure the average particle size by measuring the particle size of ultrafine metal particles in an arbitrary area in the photograph, or draw a line segment of an arbitrary length in the photograph, and the length of the part that crosses the particle of the line segment From the sum L and the number N of particles crossed by the line segment, the average particle diameter is determined as L / N. However, an average value of at least 50 particles is obtained. Further, the particle diameter of Fe after the heat treatment can be calculated from the (110) peak of Fe of X-ray diffraction measurement using analysis software “Jade5” manufactured by Rigaku.
[0010]
  In the present invention, it is desirable that all of the fine particles are coated with boron nitride (or carbon), but not all of the particles are necessarily coated. Further, it is desirable that the surface of the ultrafine particles is covered with boron nitride (or carbon), but it is not necessary to be composed only of particles whose surface is completely covered with boron nitride (or carbon). In addition, description of the numerical range in this-application specification and a claim is what described "the particle size is 0.001-1 micrometer", for example, "the particle size is the range of 0.001 micrometer or more and 1 micrometer or less. It is used as an equivalent to the expression “in”.
[0011]
  [2] In the above [1], the metal oxide is an oxide containing a transition metal. Examples thereof include Fe particles coated with boron nitride, Ni particles coated with boron nitride, FeNiCo particles coated with boron nitride, NiFe particles coated with boron nitride, and the like.The metal particles are preferably selected from Fe and alloys containing the same..
[0012]
  [3] In the ultrafine metal particles according to [1] or [2], the boron nitride mainly has a crystal structure of h-BN.
[0013]
  [4] The ultrafine metal particles according to any one of [1] to [3], wherein the boron nitride is a film having a thickness of 100 nm or less. Here, the film thickness corresponds to the distance between the surface of the particle to be coated and the surface of the thin film to be coated. More preferably, the film thickness can be 20 nm or less.
[0014]
  [5] The ultrafine metal particles according to any one of [1] to [4], wherein the boron nitride has two or more crystal lattice planes or stacked planes. More preferably, the film has four or more crystal lattice planes or stacked planes. Here, it is desirable that boron nitride is mainly composed of hexagonal crystals, and the lattice plane or the laminated plane of the crystal is a hexagonal c-plane (that is, (002) plane). It is desirable that the lattice plane or the laminate plane of the crystal is formed along the plane of the metal particles.
  [6] In the above [5], an intermediate phase may be provided in the particles or boron nitride.
[0015]
  [7] In any one of the above [1] to [6], the main component of the metal ultraparticle is a magnetic metal element, and the saturation magnetization of the metal ultrafine particle is the magnetic metal element.Material specificThe saturation magnetization is 10% or more and less than 100%.
  Regarding the above [7], when the nuclei of the metal ultrafine particles are composed of magnetic particles, the coated boron nitride film can be made extremely thin, 30 nm or less. Therefore, in the ultrafine metal particles, the volume ratio occupied by the magnetic particles can be increased, and the decrease in saturation magnetization of the ultrafine metal particles can be suppressed as compared with the prior art. A particle composed of a transition metal or an alloy containing a transition metal is coated with a boron nitride film when the saturation magnetization specific to the material that is the main component responsible for the magnetism of the particle is used as a reference (ie, 100%). The saturation magnetization of the ultrafine metal particles may have a magnitude of 10% or more with respect to the reference.
[0016]
  [8] In any one of the above [1] to [7], after heat treatment under conditions of humidity 100%, temperature 120 ° C., 1 atm, 24 hours with respect to oxygen content (mass%) before heat treatment The oxygen mass increment is 50% or less. Even if the surface of the metal ultrafine particles is not completely covered with the boron nitride film, that is, even if the coating is locally thin, it can be used. However, since it is difficult to prevent the progress of oxidation when stored for a long period of time, it is desirable to completely cover the surface of the ultrafine particles with a boron nitride film.
[0017]
  In the present specification and claims, mass%, that is, mass percentage (mass%) represents a composition ratio by the mass of a substance. That is, it expresses how much each elemental component is contained with respect to the unit mass of the ultrafine metal particles.
  The method for measuring the mass% for each composition is, for example, pyrolyzing oxygen in the sample by rapidly heating the sample powder to 2000 to 3000 ° C., and generating oxygen gas by a gas chromatograph and a thermal conductivity detector. Alternatively, the oxygen content is analyzed by detecting a gas containing oxygen. Since the ultrafine metal particles according to the present invention are particularly excellent in oxidation resistance, an increase in oxygen mass after treatment is suppressed with respect to the oxygen content before treatment even when the above-described humidification / heating treatment is performed. .
[0018]
  The magnetic particles may contain impurities and unavoidable impurities (elements originally contained in the raw material) included in the mixing of the raw materials to such an extent that the magnetic properties are not extremely deteriorated.
  In addition, in the X-ray diffraction pattern of a particle composed of a metal or an alloy, at least one of the peak having the highest intensity (Intensity (cps)) and the second highest peak (excluding the coating) ). More preferably, the oxide peak of the elements constituting the particles (excluding BN) is sufficiently smaller than the third highest peak or not detected at all.
[0019]
  [9] In the method for producing ultrafine metal particles of the present invention, a powder obtained by mixing a powder containing a metal oxide and a powder containing boron is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen to thereby form boron nitride. It is characterized by producing coated metal particles. It is desirable that the metal oxide contains a transition metal (more preferably, it is composed of a transition metal oxide). The generated metal particles coated with boron nitride preferably have an average particle size of 1 μm or less. The “atmosphere containing nitrogen” corresponds to an atmosphere selected from a mixed gas of nitrogen gas, inert gas such as argon, and nitrogen gas.
[0020]
  More preferably, in the production method of [9] above, a powder obtained by mixing particles containing iron oxide and boron is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen to convert the iron oxide into at least one of iron and an iron boron compound. It is reduced to seeds to produce boron oxide, which finally produces at least one particle of iron or iron nitride, the surface of which is coated with boron nitride. And
[0021]
  The method for producing ultrafine metal particles according to the above [9] is characterized in that the step of reducing the metal oxide particles and the step of coating the surfaces of the metal particles with a boron nitride film are performed in one heat treatment step. The production method of the present invention is superior to the production method of a comparative example that will be described later in that it hardly contains oxygen. In the manufacturing method of the comparative example, after producing ultrafine metal particles, an inert atmosphere containing oxygen at a low concentration is gradually supplied to the ultrafine metal particles in order to avoid spontaneous ignition and combustion (oxidation). This is a method for producing ultrafine particles in which a thin oxide film is formed on the surface.
[0022]
  [10] In the above [9], the heat treatment is performed at a temperature of 800 to 1700 ° C.
[0023]
  [11] Other ultrafine metal particles of the present invention includeA powder obtained by mixing a powder containing metal oxide and carbon is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen, andMetal particles obtained by reducing metal oxide, and the surface of the metal particlesMainly composed of graphiteCovered with carbon,The layered lattice plane of the graphite crystal is formed along the plane of the metal particles,The average particle size is 1 μm or less. Desirably, the average particle size is in the range of 0.001 to 1 μm. More desirably, the average particle diameter is 0.01 μm to 0.1 μm. When the particle size is 0.1 μm or less, the effect of preventing oxidation by coating the surface with carbon is particularly remarkable. Further, for example, ultrafine metal particles having excellent oxidation resistance such as an average particle size of 0.2 to 0.5 μm can be obtained.
[0024]
  [12] In the above [11], the metal oxide is an oxide containing a transition metal. The metal particles are preferably selected from Fe, Ni, Co, and an alloy containing at least one of them. Examples thereof include Fe particles coated with carbon, Ni particles coated with carbon, FeNiCo particles coated with carbon, NiFe particles coated with carbon, and the like.
  [13] In the ultrafine metal particles of [11] or [12], the carbon may have a crystal structure of graphite and amorphous, and may be mainly composed of graphite.
[0025]
  [14] The ultrafine metal particles according to any one of [11] to [13], wherein the carbon has a thickness of 100 nm or less. More preferably, the film thickness can be 20 nm or less.
[0026]
  [15] The ultrafine metal particles according to any one of [11] to [14], wherein the carbon has two or more crystal lattice planes or stacked planes. More preferably, the film has four or more crystal lattice planes or stacked planes. Here, it is preferable that carbon is mainly composed of graphite, and the lattice plane or the lamination plane of the crystal is a graphite lamination plane. It is desirable that the lattice plane or the laminate plane of the crystal is formed along the plane of the metal particles.
  [16] In the above [15], an intermediate phase may be provided in the particles or carbon.
[0027]
  Since the carbon constituting the coating is mainly graphite whose lattice planes are arranged in layers, it has a plurality of layered lattice planes in which six-membered rings are connected. That is, a plurality of crystal lattice planes are provided. The lattice plane of the layered lattice may have a laminated structure with respect to the surface of the particle. Since the interface between the particle and the coating has an intermediate layer, a region where transition metal and carbon are mixed, or a crystal matching region of both, forming the layered lattice plane in at least two layers suppresses oxidation of the particle This is desirable. The plane of the layered lattice (lattice surface) can be formed, for example, within a range of 4 to 20 layers. The intermediate phase refers to a portion or boundary region of an intermediate structure between the crystal structure of the metal particles and the crystal structure of the coating. The thickness of the intermediate phase is about 1 to 5 layers of the lattice spacing of graphite or the graphite layer. When the intermediate phase is thin, it is considered that the crystal lattice mismatch between the particles and the carbon film is relaxed and eliminated at a short distance, and the entire surface of the particles can be uniformly coated with the carbon film.
[0028]
  [17] In any one of the above [11] to [16], the metal superFineThe main component of the particles is a magnetic metal element, and the saturation magnetization of the ultrafine metal particles is the magnetic metal element.Material specificThe saturation magnetization is 10% or more and less than 100%. Regarding the above [17], when the core of the ultrafine metal particles is composed of magnetic particles, the coating carbon film can be made extremely thin with a film thickness of 30 nm or less. Therefore, the volume fraction occupied by the magnetic particles can be increased in the ultrafine metal particles. Compared with the prior art, it is possible to suppress a decrease in saturation magnetization of the ultrafine metal particles. In a particle composed of a transition metal or an alloy containing a transition metal, when the saturation magnetization peculiar to the material of the main component responsible for magnetism is used as a reference (that is, 100%), the metal ultrafine particles in which the particle is coated with a carbon film The saturation magnetization of may have a magnitude of 10% or more with respect to the reference.
[0029]
  [18] In any one of the above [11] to [17], after heat treatment under conditions of humidity 100%, temperature 120 ° C., 1 atm, 24 hours with respect to the oxygen content (mass%) before heat treatment The oxygen mass increment is 50% or less. Even if the surface of the ultrafine metal particles is not completely covered with the carbon film, that is, even if the coating is locally thin, it can be used. However, since it is difficult to prevent the progress of oxidation when stored for a long period of time, it is desirable to completely cover the surface of the ultrafine particles with a carbon film.
[0030]
  The magnetic particles may contain impurities or unavoidable impurities (elements originally contained in the raw material) contained in the raw materials to such an extent that the magnetic properties are not extremely deteriorated.
  In the X-ray diffraction pattern of a particle composed of a metal or an alloy, the peak having the first to second highest intensity (Intensity (cps)) corresponds to the main element of the particle or the peak of graphite. It is desirable to be. More preferably, the peak of the oxide of the elements constituting the particles (excluding carbon) is sufficiently smaller than the third highest peak appearing in the X-ray diffraction pattern or not detected at all.
[0031]
  [19] In the method for producing ultrafine metal particles of the present invention, a powder obtained by mixing a powder containing a metal oxide and a powder containing carbon is heat-treated in an inert atmosphere to coat the surface with carbon. It is characterized by producing metal particles. It is desirable that the metal oxide contains a transition metal (more preferably, it is composed of a transition metal oxide). It is desirable that the produced metal particles coated with carbon have an average particle size of 1 μm or less.
[0032]
  In the production method of [19], more preferably, a powder obtained by mixing particles containing iron oxide and particles containing carbon is heat-treated in an inert atmosphere to reduce the iron oxide to at least one of iron or iron carbide. Then, by producing a carbon oxide, at least one kind of particles of iron or iron carbide, the surface of which is coated with carbon, is produced.
[0033]
  The method for producing ultrafine metal particles according to the above [19] is characterized in that the step of reducing the metal oxide particles and the step of coating the surfaces of the metal particles with a carbon film are performed in one heat treatment step. The production method of the present invention is superior to the production method of a comparative example that will be described later in that it hardly contains oxygen. In the manufacturing method of the comparative example, after producing metal ultrafine particles, in order to avoid spontaneous ignition and combustion (oxidation), oxygen is gradually converted into metal ultrafine particles in an inert atmosphere containing a low concentration of oxygen. And a thin oxide film is formed on the surface.
[0034]
  [20] In the above [19], the heat treatment is performed at a temperature of 600 to 1600 ° C.
[0035]
  [21] According to the method of manufacturing a microbody of the present invention, a boron nitride microparticle is obtained by heat-treating a powder obtained by mixing a powder containing a metal oxide and a powder containing boron in an atmosphere containing nitrogen. It is characterized by producing a body. Here, the micro object corresponds to a micro object obtained as a by-product when the ultrafine metal particles according to any one of [1] to [10] are produced.
[0036]
  [22] According to another method for producing a microscopic object of the present invention, a powder containing boron and metal oxide particles is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen to thereby form metal particles or boron nitride. It is characterized in that a product having at least one microbody is obtained. The metal particles may be coated with boron nitride. As the atmosphere containing nitrogen, for example, nitrogen gas, a mixed gas obtained by mixing nitrogen gas with a rare gas such as argon gas, or the like can be used.
[0037]
  [23] In the above [21] or [22], the heat treatment is performed at a temperature of 800 to 1700 ° C.
[0038]
  The production method according to any one of [21] to [23] is very excellent in mass productivity. The required thermal energy is small compared to the conventional manufacturing method. In addition, high vacuum is not required, and precise pressure control of the atmosphere is unnecessary. Since an inert gas is used, the heat treatment furnace is not damaged, and there is no problem that impurities are mixed into the micro object due to the damage. Furthermore, there is no explosive or toxic danger. The oxide powder used as a raw material is easy to produce and handle even if it is a nanometer-sized particle. Another advantage is that the raw material is hardly ignited or burned, and the problem that the raw material loss or shape due to the ignition or the like is out of design or the process interruption is difficult to occur.
[0039]
  [24] A powder having boron nitride microparticles and metal particles is produced by the method for manufacturing a microparticle according to any one of [21] to [23], and at least a part of the metal particles is formed from the powder. It is characterized by removing. It is desirable to remove all the metal particles to make a powder containing only boron nitride microparticles. That is, a process of removing the metal particles or the fine particles containing the metal particles after the heat treatment is performed. For example, when the metal particles reduced during the heat treatment are further grown to become coarse metal particles, it is desirable to remove them.
  This process is a step of increasing the proportion and purity of boron nitride in the fine powder. For example, this micro object is dispersed in a medium (liquid), and the specific gravity difference between the metal-based particles and the boron nitride micro object (or the specific gravity difference between the metal-containing micro object and the metal-free micro object) is used. A method of separating and reducing metal particles and the like by a method such as natural sedimentation after centrifugation and centrifugation (separation method 1) can be used. Alternatively, a method (wet method or dry method) in which a magnetic field is applied to metal particles to be attracted and separated from fine particles of boron nitride that are not attracted (wet method or dry method) can be used. Moreover, the method of reducing the quantity of a metal particle can be used by chemically dissolving and removing a metal particle with solutions, such as an acid (separation method 3). Separation method 3 may be mixed with undissolved residues and impurities, but is effective in reducing metal particles. When the surfaces of the metal particles are all covered and a solution such as an acid does not penetrate, it is desirable to perform the separation method 1 or the separation method 2 in order to increase the purity of the powdered microparticles. It should be noted that even if the fine powder contains a metal powder, it is not necessarily a problem. The microscopic body has a small size and powder handling is not easy. For example, a powder containing a transition metal fine particle powder as a carrier has an advantage that it is easier to handle than a powder consisting of only a fine body.
[0040]
  [25] Another minute body of the present invention is produced by reducing a metal oxide in an inert gas atmosphere containing nitrogen, and is mainly composed of boron nitride, and has a wire shape or a cylindrical shape. It is characterized by. Boron nitride is preferably rhombohedral. This fine body is obtained as a by-product when the metal ultrafine particles according to the above [1] to [10] are produced.
  Another micro body of the present invention is a micro body in which nitrogen and boron are combined by reducing a metal oxide in an inert gas atmosphere containing nitrogen, and is mainly composed of boron nitride. It is wire-shaped or cylindrical. By performing a heat treatment in an inert atmosphere containing nitrogen using a metal oxide as a mediator or promoter, boron and nitrogen are combined to form a boron nitride microparticle. As the metal oxide, for example, a metal or alloy oxide can be used. In particular, it is desirable to use a transition metal or an alloy containing at least one transition metal. More preferably, a magnetic metal oxide is used. For example, the metal or alloy can be selected from Fe, Ni, Co, and an alloy containing at least one of them.
[0041]
  “Micro body” means, for example, a nanotube, a nanowire, a three-dimensional atomic structure, a nanoparticle, a structure having dimensional characteristics on the order of nanometers (nm), an aggregate or a powder including at least one of them ( Or a fine substance such as powder). The micro body having a cylindrical shape is more preferably a nanotube. “Wire shape or cylindrical shape” means, for example, a wire shape, a rod shape, a tube shape, a tubular shape, a hollow or solid shape, a combination of any of these, a small piece (plate shape) It is used as a term including a long shape formed by adding pieces, scale pieces or block pieces).
[0042]
  [26] In the above [25], the micro body has an average diameter of 0.5 μm or less. The average diameter is desirably 0.01 to 0.5 μm, and more desirably 0.05 to 0.5 μm. More specifically, for example, the diameter may be 0.1 to 0.3 μm.
  In addition, if a fine powder having an average particle diameter in the range of 0.001 to 1 μm is used as the metal oxide as a raw material, a fine body having a diameter in the range of 0.001 to 1 μm can be obtained. More preferably, a metal body having a mean particle diameter of 0.001 to 0.05 μm is used to obtain a minute body having a diameter of 0.001 to 0.05 μm. By using a raw material having a small average particle size and a sharp particle size distribution, a microparticle having a small average diameter can be obtained.
[0043]
  The diameter corresponds to, for example, the outer diameter when a cross section (cross section in a direction perpendicular to the longitudinal direction) of a wire-like or cylindrical part is seen for one minute body. When the cross section is not circular, the maximum value is regarded as the diameter. When the micro object has a diameter that gradually changes along the longitudinal direction, an intermediate value between the maximum diameter and the minimum diameter when viewed in the longitudinal direction may be expressed as the diameter of the micro object. If there is a location that deviates significantly from the wire or cylindrical shape, the location is ignored and the diameter is evaluated only at the wire or cylindrical portion.
[0044]
  With an average diameter, for example, an electron micrograph is taken using a powder having a wire-like or cylindrical fine body as a sample. The average value is obtained by measuring the diameter of each micro object within an arbitrary area in the photograph. That is, for N micro objects (N ≧ 50), the diameter is measured and expressed as average diameter = (sum of measured diameters) / N. Instead of a photograph, an image may be acquired and the diameter may be measured using a personal computer and image processing software.
[0045]
  [27] Another minute body of the present invention is produced by reducing a metal oxide in an inert gas atmosphere, and the ratio of the outer diameter Ro to the inner diameter Ri is (Ri / Ro) ≦ 0.8. It is a cylindrical boron nitride micro body provided with a part. When the ratio of Ri / Ro is close to 1, the wall thickness is reduced, so that the weight of the micro object is reduced, and as a result, the specific surface area is increased. The boron nitride microbody according to the present invention has a portion where the ratio of (Ri / Ro) is close to 1, but there is also a portion where the inner diameter is small. For example, the inner diameter may be reduced at the end of the cylindrical shape or at the location where the cylindrical shape is bent, but this is practically acceptable.
  This boron nitride micro body can be formed in multiple layers of boron nitride atomic layers constituting the wall of the tube, and can also be generated to increase the number of nodes and bridges. Therefore, it is also possible to manufacture a micro object with a small (Ri / Ro) by increasing the thickness of the wall of the wire or cylindrical micro object. Ri is an inner diameter (corresponding to the diameter of the cavity) when the tube is viewed in a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction, and does not include a cross section of a node. Ro corresponds to the outer diameter when the tube is viewed in a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction.
[0046]
  [28] Another micro body of the present invention is a mixture of a rhombohedral phase boron nitride micro body and a hexagonal phase boron nitride micro body.
  Regarding the crystal structure, rhombohedral boron nitride is also expressed as r-BN. Hexagonal boron nitride (Hexagonal Boron Nitride) is also represented as h-BN.
  [29] Another micro body of the present invention is boron nitride having a rhombohedral phase and a hexagonal phase.
[0047]
  [30] Another minute body of the present invention is produced by reducing a metal oxide in an inert gas atmosphere, and is mainly composed of boron nitride, and is cylindrical and has nodes or bridges inside. It is characterized by having.
  Here, the “node” corresponds to a member that can divide the inside of a cylindrical (or tubular) microscopic object into a plurality of cavities or be divided into a plurality of compartments. “Bridge” corresponds to a member that connects arbitrary portions of the inner wall of a cylindrical microscopic object. It is considered possible to construct a node by gathering more bridges. The surface of the node is close to the tube wall or the cylindrical wall, rather than being arranged parallel to each other, rather than being arranged orthogonally. When there are a plurality of nodes, the interval between the nodes is set to 0.5 d or more, for example. Here, d corresponds to the diameter d of the cylindrical portion between the nodes. In addition, even if the micro body is provided with a plurality of nodes, the outer diameter and the wall thickness are not always unilaterally decreased, but can be increased rather, and a long micro body can be obtained. it can.
[0048]
  [31] Another minute body of the present invention is produced by reducing a metal oxide in an inert gas atmosphere, and includes metal particles, a boron nitride film covering the metal particles, and a wire shape or a cylindrical shape. It is characterized by comprising boron nitride.
  The wire-shaped or cylindrical portion is not limited to one growth direction, and may have a plurality of growth directions. The wire-like or cylindrical boron nitride may be grown directly from the boron nitride film, or may be grown directly from metal particles obtained by reducing the metal oxide. The metal particles may be arranged at either the tip or the center of the boron nitride microparticle. As a state of arrangement, one metal particle is provided with one boron nitride micro body (or a structure in which bonding, connection, bonding, connection, and connection) is provided, or one metal particle is provided with a plurality of boron nitrides. A structure provided with elementary micro-objects can be mentioned. As another arrangement state, there is a structure (or a structure such as covering, fitting, embedding, inclusion, winding, holding, carrying, etc.) in which metal particles are encapsulated in a carbon microparticle. The arrangement state of the metal particles can be changed by changing conditions such as raw materials and heat treatment in the manufacturing method.
  The metal particles are preferably composed of a transition metal or an alloy containing at least one transition metal. More preferably, the metal particles are made of a magnetic metal. For example, the metal particles have a composition selected from Fe, Ni, Co, and an alloy containing at least one of them.
[0049]
  [32] According to another method of manufacturing a micro object of the present invention, a carbon micro object is obtained by heat-treating a powder containing a metal oxide-containing powder and a carbon-containing powder in an inert atmosphere. It is characterized by producing. More desirably, the fine powder of carbon is produced by heat-treating a powder obtained by mixing a powder composed of an oxide of a transition metal and a carbon powder in an inert atmosphere. This method for producing a micro object relates to a micro object that can be obtained as a by-product when producing the ultrafine metal particles according to the above [11] to [20] and a method for producing the micro object.
[0050]
  [33] According to another method of manufacturing a microparticle of the present invention, a metal particle or a carbon microparticle is produced by heat-treating a powder containing carbon and metal oxide particles in an inert atmosphere. It is characterized in that a product having at least one is obtained. The metal particles may be coated with carbon.
[0051]
  [34] In the above [32] or [33], the heat treatment is performed at a temperature of 600 to 1600 ° C.
[0052]
  The production method according to any one of the above [32] to [34] is very excellent in mass productivity. The required thermal energy is small compared to the conventional manufacturing method. In addition, high vacuum is not required, and pressure control of the atmosphere is not easily restricted by mass production. Since an inert gas is used, the heat treatment furnace is not damaged, and there is no problem that impurities are mixed into the micro object due to the damage. The oxide powder used as a raw material is easy to produce and handle even if it is a nanometer-sized particle. Another advantage is that the raw material is hardly ignited or burned, and the problem that the raw material loss or shape due to the ignition or the like is out of design or the process interruption is difficult to occur.
[0053]
  [35] A powder having carbon microparticles and metal particles is produced by the method for manufacturing a microparticle according to any one of [32] to [34], and at least a part of the metal particles is removed from the powder. It is characterized by that. It is desirable to remove all of the metal particles to make a powder of only carbon fines. That is, a process of removing the metal particles or the fine particles containing the metal particles after the heat treatment is performed. For example, when the metal particles reduced during the heat treatment are further grown to become coarse metal particles, it is desirable to remove them. As this removal process, the same process as in the above [24] can be used.
[0054]
  [36] Another minute body of the present invention is produced by reducing a metal oxide in an inert gas atmosphere, is composed of carbon in a graphite phase, and is characterized by a wire shape or a cylindrical shape. To do. By performing a heat treatment in an inert atmosphere using a metal oxide as a mediator or accelerator, carbon is decomposed and reconstructed to obtain carbon microparticles. This fine body can be obtained as a by-product when the metal ultrafine particles according to the above [11] to [20] are produced.
  The micro body of the present invention is a micro body in which the shape of carbon particles is reconstructed by reducing a metal oxide in an inert gas atmosphere, and is mainly composed of carbon and has a wire-like or cylindrical shape. It is characterized by having. More specifically, particulate carbon is decomposed and reconstructed using a reduction reaction that takes oxygen away from the metal oxide and an inert gas, thereby generating a carbon micro-particle. As the metal oxide, for example, a metal or alloy oxide can be used. In particular, it is desirable to use a transition metal or an alloy containing at least one transition metal. More preferably, a magnetic metal oxide is used. For example, the metal or alloy can be selected from Fe, Ni, Co, and an alloy containing at least one of them.
[0055]
  [37] In the above [36], the minute body has an average diameter of 0.5 μm or less. The average diameter is desirably 0.01 to 0.5 μm, and more desirably 0.05 to 0.5 μm. More specifically, for example, the diameter may be 0.1 to 0.3 μm. In addition, if a fine powder having an average particle diameter in the range of 0.001 to 1 μm is used as the raw material metal oxide, a fine body having an average diameter in the range of 0.001 to 1 μm can be obtained. More preferably, a metal body having an average particle diameter of 0.001 to 0.05 μm is used to obtain a minute body having an average diameter of 0.001 to 0.05 μm. By using a raw material having a small average particle size and a sharp particle size distribution, a microparticle having a small average diameter can be obtained.
[0056]
  [38] Another minute body of the present invention is formed by reducing a metal oxide in an inert gas atmosphere, and is a cylindrical carbon minute body having a ratio of an outer diameter Ro to an inner diameter Ri of ( (Ri / Ro) ≦ 0.8.
  When the ratio of (Ri / Ro) is close to 1, the wall thickness is reduced, so that the weight of the micro object is reduced, and as a result, the specific surface area is increased. The carbon microbody according to the present invention has a portion where the ratio of (Ri / Ro) is close to 1, but there is also a portion where the inner diameter is small. For example, the inner diameter may be small at the end of the cylindrical shape or where the cylindrical shape is bent, but this is practically acceptable.
  This carbon micro-object can be formed to have multiple layers of graphite atomic layers constituting the wall of the tube, and can also be generated to increase the number of nodes and bridges. Therefore, it is also possible to manufacture a carbon micro object with a small (Ri / Ro) by increasing the wall thickness of the wire or cylindrical carbon micro object. Ri is an inner diameter (corresponding to the diameter of the cavity) when the tube is viewed in a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction, and does not include a cross section of a node. Ro corresponds to the outer diameter when the tube is viewed in a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction.
[0057]
  [39] Another minute body of the present invention is produced by reducing a metal oxide in an inert gas atmosphere, and is mainly composed of carbon in a graphite phase, and is cylindrical and has nodes or bridges inside. It is characterized by having.
  Here, the definition of “clause” is the same as described in [30] above.
[0058]
  [40] Another fine body of the present invention is produced by reducing a metal oxide in an inert gas atmosphere, and includes metal particles, a carbon film covering the metal particles, and wire-like or cylindrical carbon. It is characterized by providing.
  The metal particles are preferably composed of a transition metal or an alloy containing at least one transition metal. More preferably, the metal particles are made of a magnetic metal. For example, the metal particles have a composition selected from Fe, Ni, Co, and an alloy containing at least one of them.
[0059]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  An embodiment of the present invention according to any one of the above [1] to [10] will be described. In the present invention according to the above [1] to [10], the metal powder raw material of the transition metal, especially Fe, Co, Ni, etc., plays the role of a boron nitride (BN) formation catalyst, It was noted that when the metal powder and boron (B) were heated at around 2000 ° C., boron nitride was formed with the metal particles as nuclei. Furthermore, when the starting material is not a metal but an oxide of a transition metal typified by Fe, Co, and Ni, the oxide is reduced at 800 ° C. to 1700 ° C. and boron nitride is formed at the same time. It has been found that novel ultrafine metal particles encapsulated in a boron nitride coating (BN coating) are produced.
[0060]
  The metal oxide which is the starting material of the present invention according to the above [1] to [10], the concept of the raw material of boron, the reason for limiting the numerical value, and the like will be described. The metal constituting the oxide according to the present invention (hereinafter referred to as M) is preferably a transition metal or an alloy thereof (particularly a magnetic material). More preferably, Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Mo, Pd, Ir, or an alloy containing them is suitable. Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Mo, Pd, and Ir have the standard enthalpy of formation of MB bond (B is boron) as HM-B, Standard production enthalpy of MN bond (N is nitrogen) is HMN, HM-B<HMN
Therefore, borides are easier to form than nitrides. As a result, boron-containing metal powder is formed in the initial stage of the heat treatment. When nitrogen is in a gaseous state and uniformly exists around the metal powder, boron and nitrogen contained in the metal powder are finally included. And the surface of the metal particles can be easily uniformly coated with boron nitride. Metal oxide (MaOb) May have been conventionally shown in a phase diagram, for example, in the case of Fe, Fe2O3, Fe3O4FeO.
[0061]
  Further, boron is suitable as a raw material powder to be a boron supply source, but a metal containing boron may be used. For the metal (M) containing boron, the standard enthalpy of formation of MB bond is HM-B, Standard production enthalpy of MN bond is HMN,
  HM-B> HMN
That in which the relationship is established is preferable, and examples thereof include Sc, Ti, V, Y, Zr, Nb, La, Hf, and Ta.
[0062]
  (Reaction process)
  Fe2O3A reaction process in which BN-coated Fe particles, a BN tube, or a BN wire is generated by the reaction between B and B will be described. FIG. 3 schematically shows the reaction process. FIG. 3 (1.) shows the state of the raw material. FIG. 3 (2.) shows the state of the initial stage of the reaction. That is, B is Fe2O3B combined with oxygen2O3And reduced Fe particles are present in the vicinity of B. B2O3Is in a liquid phase or gas phase. Further, the progress of the reaction is shown in FIG. At this stage, B reacts with Fe to form an Fe—B compound. As shown in the figure, the structure of the powder includes complete Fe—B compound grains, incomplete B diffusion into Fe, or grains having Fe as the core and Fe—B compound in the vicinity of the surface. . When the reaction further proceeds, as shown in FIG. 3 (4), B in the Fe—B compound reacts with N atoms in the atmosphere, and BN nuclei are generated all over the particle surface. When these BN nuclei grow, B diffuses from the inside of the particle to the surface. As a result, only Fe remains inside the particles, and BN-coated Fe particles are generated. Further, when B is excessively present, BN is not limited to covering Fe but extends in a tube shape or a wire shape. FIG. 3 (5.) is a schematic diagram of BN-coated Fe particles and a BN tube.
[0063]
  The average particle diameter of the metal oxide powder (a powder) is preferably 0.001 to 1 μm. Powders having an average particle size of less than 0.001 μm are difficult to produce and are not practical. If the average particle size exceeds 1 μm, oxygen cannot be sufficiently reduced to the center of the particles, and it is not easy to obtain uniform metal particles. The average particle size of the boron powder (b powder) is preferably 0.01 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm. Boron powder with an average particle size of less than 0.01 μm is expensive and impractical. On the other hand, if the average particle diameter exceeds 100 μm, the dispersion of the powder b in the mixed powder is biased, and finally it becomes difficult to uniformly coat the metal particles. The mixing ratio of the a powder and the b powder is preferably in the range of 25 to 95% by weight of the b powder. If the mass ratio of the b powder is less than 25%, the reduction of the metal oxide becomes insufficient due to the lack of boron. If the blending ratio of boron powder exceeds 95%, the volume ratio of the metal to be reduced becomes extremely small, which is not practical.
[0064]
  For the mixing of the a powder and the b powder, a V-type mixer, a pulverizer (for example, a device that combines pulverization and mixing as in the case of a raikai machine), a mortar or the like is used. The mixed powder is heat-treated under a predetermined condition by filling a predetermined amount in a heat-resistant crucible such as alumina or boron nitride. The atmosphere during the heat treatment is preferably a nitrogen gas atmosphere, an ammonia gas atmosphere or a mixed gas atmosphere containing them. The mixed gas may be mixed with an inert gas such as argon or helium. A gas containing oxygen such as air is not suitable because it hinders the reduction reaction. The heat treatment temperature is preferably 800 ° C to 1700 ° C, more preferably 1000 ° C to 1400 ° C. If it is less than 1000 degreeC, the time required for reaction to complete will become long. If it is less than 800 degreeC, reaction itself does not advance. When the temperature exceeds 1400 ° C. in a non-oxygen atmosphere, there is a concern that oxygen may be released due to the decomposition of the oxide ceramic used as the furnace member, and at the same time, for example, an alumina crucible may be damaged in a short period of time. When the temperature exceeds 1700 ° C., it is indispensable to use a heat-resistant member not only for the crucible but also for the equipment itself, which increases the manufacturing cost and is not suitable for industrialization.
[0065]
  Next, an embodiment of the present invention according to any one of [11] to [20] will be described. In the present invention related to the above [11] to [20], transition metal oxides typified by Fe, Co, and Ni are selected and heated as the raw material for the metal powder of the transition metal. It has been found that the oxide is reduced at ℃ and carbon mainly composed of graphite is formed on the surface of the metal particles. Moreover, the structure by which a metal particle is included in a carbon film was also discovered. It is considered that transition metals, especially Fe, Co, and Ni, which are constituent elements of the starting material, play a role of a catalyst for forming a graphite layer.
[0066]
  Carbon powder such as graphite, carbon black, and natural graphite is suitable as a raw material powder to be a carbon supply source, but may be a compound containing carbon. That is, it may be a carbon containing carbon, activated carbon, coke, fatty acid, polymer such as polyvinyl alcohol, BC compound, or metal. Therefore, in the means for solving the claims and the problems, “carbon powder” is used as a term encompassing both carbon powder and a compound containing carbon. However, carbon powder may be used to increase the carbon purity of the coating.
[0067]
  The average particle diameter of the metal oxide powder (a powder) is preferably 0.001 to 1 μm. Powders having an average particle size of less than 0.001 μm are difficult to produce and are not practical. If the average particle size exceeds 1 μm, oxygen cannot be sufficiently reduced to the center of the particle, and it is not easy to obtain uniform metal particles. The average particle size of the carbon powder (b powder) is preferably 0.01 to 100 μm, more preferably 0.1 to 50 μm. Carbon powder having an average particle size of less than 0.1 μm is expensive and impractical. On the other hand, when the average particle size exceeds 100 μm, the dispersion of the powder b in the mixed powder is biased, and the metal particles cannot be uniformly coated finally. The mixing ratio of the a powder and the b powder is preferably in the range of 25 to 95% by weight of the b powder. If the weight ratio of the powder b is less than 25%, the reduction reaction does not proceed sufficiently due to insufficient carbon. On the other hand, if the blending ratio of the powder b exceeds 95%, the volume ratio of the metal to be reduced becomes extremely small, which is not practical. An average particle diameter of 0.001 to 1 μm, more desirably 0.01 μm to 0.1 μm, is used in applying the ultrafine metal particles of the present invention to magnetic recording media, magnetic shields, electronic devices, and the like. desirable.
[0068]
  For the mixing of the a powder and the b powder, a V-type mixer, a pulverizer (for example, a device that combines pulverization and mixing as in the case of a raikai machine), a mortar or the like is used. The mixed powder is heat-treated under predetermined conditions by filling a predetermined amount of transition metal oxide and carbon compound in a heat-resistant crucible such as alumina, boron nitride, and graphite. The atmosphere during the heat treatment is not limited as long as it is an inert gas, but a mixed atmosphere with nitrogen gas or an inert gas such as argon gas containing nitrogen as a main component can be used. The heat treatment temperature is preferably 600 ° C to 1600 ° C, more preferably 900 ° C to 1400 ° C. If it is less than 900 degreeC, the time required until reaction is completed will become long. If the temperature is lower than 600 ° C., the reaction itself does not proceed. Further, when the temperature exceeds 1400 ° C. in a non-oxygen atmosphere, there is a concern that oxygen may be released due to decomposition of oxide ceramics used as a furnace member, and at the same time, for example, an alumina crucible may be damaged in a short period of time. When the temperature exceeds 1600 ° C., it is indispensable to use a heat-resistant member not only for the crucible but also for the equipment itself, which increases the manufacturing cost and is not suitable for industrialization.
[0069]
  Next, embodiments of the invention relating to the above [21] to [31] will be described.
  According to the present invention according to the above [21] to [31], when the transition metal oxide (a powder) and the boron powder (b powder) are heated at a temperature of 800 to 1700 ° C. in a nitrogen atmosphere, the metal oxidation is performed. The product serves as a catalyst for forming boron nitride microparticles, and a wire-shaped boron nitride microparticle powder having an average diameter of 0.5 μm or less can be produced. Compared with the prior art, boron nitride micro bodies can be manufactured at a low temperature.
[0070]
  a transition metal or an alloy thereof (particularly magnetic material) is preferable as the metal constituting the oxide of the powder, more preferably Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Mo, Pd, Ir or an alloy containing them is suitable. Yes. Metal oxide (MaOb) May have been conventionally shown in a phase diagram. For example, when M is Fe, Fe2O3, Fe3O4FeO. The metal oxide is reduced in the process of forming boron nitride, and finally becomes metal particles.
[0071]
  In addition to the boron powder, the b powder may be a metal powder containing boron. As the metal (M) containing boron, the standard enthalpy of formation of MB bond (B is boron) is H.M-B, Standard production enthalpy of MN bond (N is nitrogen) is HMN,
  HM-B> HMN
Those satisfying the relationship are preferable. Specific examples include Sc, Ti, V, Y, Zr, Nb, La, Hf, and Ta.
[0072]
  The average particle diameter of the metal oxide powder (a powder) is preferably 0.001 to 1 μm. Powders having an average particle size of less than 0.001 μm are difficult to produce and are not practical. On the other hand, if the average particle size exceeds 1 μm, oxygen cannot be sufficiently reduced to the center of the particles, and it does not function sufficiently as a catalyst. The average particle size of the boron powder (b powder) is preferably 0.01 to 100 μm. Boron powder with an average particle size of less than 0.01 μm is expensive and impractical. On the other hand, if the average particle size exceeds 100 μm, the dispersion of the powder b in the mixed powder becomes uneven, and it becomes difficult to finally coat the metal particles uniformly. The mixing ratio of the a powder and the b powder is preferably in the range of 25 to 95% by weight of the b powder. When the weight ratio of the powder b is less than 25%, boron is insufficient and boron nitride is not sufficiently formed. On the other hand, when the blending ratio of the powder b exceeds 95%, the powder a is decreased, the catalytic function is lowered, and boron nitride is not sufficiently formed.
[0073]
  A V-type mixer or a mortar is used for mixing the powder a and powder b. The mixed powder is heat-treated under predetermined conditions by filling a predetermined amount in a heat-resistant crucible such as alumina or boron nitride. The atmosphere during the heat treatment is preferably a nitrogen gas atmosphere or a mixed gas atmosphere containing nitrogen gas. The mixed gas may be mixed with an inert gas such as Ar or He. Gases containing oxygen such as air are not suitable. The heat treatment temperature is preferably 800 ° C to 1700 ° C, more preferably 1000 ° C to 1400 ° C. If it is less than 1000 degreeC, the time required for reaction to complete will become long. If it is less than 800 degreeC, reaction itself does not advance. When the temperature exceeds 1400 ° C. in an inert gas atmosphere, there is a concern that oxygen may be released due to decomposition of the oxide ceramic used as the furnace member, and at the same time, for example, an alumina crucible may be damaged in a short period of time. . When the temperature exceeds 1700 ° C., it is indispensable to use a heat-resistant member not only for the crucible but also for the equipment itself, which increases the manufacturing cost and is not suitable for industrialization.
[0074]
  When the crystal structure of the boron nitride powder obtained by the above method is identified by X-ray diffraction measurement, hexagonal boron nitride (h-BN) and rhombohedral boron nitride (r-BN) as shown in FIG. These two peaks can be detected. Note that FIG. 18 is described later.Reference example 2The powder obtained in 1 was measured. Further, when the powder structure was observed by TEM observation, it was confirmed that wire-like boron nitride was formed as shown in FIG. 19, and it was identified as h-BN from observation of the lattice image.
[0075]
  Next, embodiments of the invention related to the above [32] to [40] will be described. According to the present invention according to the above [32] to [40], when the transition metal oxide (a powder) and the carbon powder (b powder) are heated at a temperature of 600 to 1600 ° C. in an inert gas atmosphere, the metal The oxide serves as a catalyst for the formation of carbon fine bodies, and a wire-shaped carbon fine body powder having an average diameter of 0.5 μm or less can be produced.
[0076]
  As the metal constituting the oxide of a powder, a transition metal or an alloy thereof (particularly a magnetic material) is preferable. Metal oxide (MaOb) May have been conventionally shown in a phase diagram. For example, when M is Fe, Fe2O3, Fe3O4FeO. The metal oxide is reduced in the process of carbon formation, and finally becomes metal particles.
[0077]
  Further, as the powder b, carbon powder such as graphite, carbon black, and natural graphite is suitable, but a compound containing carbon may be used. That is, it may be coal, activated carbon, coke, fatty acid, polymer such as polyvinyl alcohol, BC compound, or metal carbide.
[0078]
  The average particle diameter of the metal oxide powder (a powder) is preferably 0.001 to 1 μm. Powders having an average particle size of less than 0.001 μm are difficult to produce and are not practical. On the other hand, if the average particle size exceeds 1 μm, oxygen cannot be sufficiently reduced to the center of the particles, and it does not function sufficiently as a catalyst. The average particle size of the carbon powder (b powder) is preferably 0.01 to 100 μm. Carbon powder having an average particle size of less than 0.01 μm is expensive and impractical. The mixing ratio of the a powder and the b powder is preferably in the range of 25 to 95% by weight of the b powder. When the weight ratio of the b powder is less than 25%, carbon is insufficient. On the other hand, when the blending ratio of the powder b exceeds 95%, the powder a is reduced and the catalytic function is lowered.
[0079]
  A V-type mixer or a mortar is used for mixing the powder a and powder b. The mixed powder is heat-treated under predetermined conditions by filling a predetermined amount in a heat-resistant crucible such as alumina or boron nitride. The atmosphere during the heat treatment is preferably an inert gas atmosphere. Gases containing oxygen such as air are not suitable. The heat treatment temperature is preferably 600 ° C to 1600 ° C, more preferably 900 ° C to 1400 ° C. If it is less than 900 degreeC, the time required until reaction is completed will become long. Below 600 ° C, the reaction itself does not proceed. When the temperature exceeds 1400 ° C. in an inert gas atmosphere, there is a concern that oxygen may be released due to decomposition of the oxide ceramic used as the furnace member, and at the same time, for example, an alumina crucible may be damaged in a short period of time. . If the temperature exceeds 1600 ° C., it is indispensable to use a heat-resistant member not only for the crucible but also for the equipment itself, which increases the manufacturing cost and is not suitable for industrialization.
【Example】
[0080]
  Hereinafter, the present invention will be described by way of examples. However, the present invention is not necessarily limited by these examples.
  Example 1
  Α-Fe with an average particle size of 0.6 μm2O35 g of powder (a powder) and 5 g of boron powder (b powder) with an average particle size of 30 μm were weighed, and each powder was put into a V-type mixer so that the blending ratio of b powder was 50% by mass. And mixed for 10 minutes. An appropriate amount of this mixed powder is filled in an alumina boat, placed in a furnace, heated in a nitrogen gas stream having a flow rate of 2 (l / min) at a rate of 3 ° C / min from room temperature, And kept in the furnace for 2 hours. The mixed powder before the heat treatment was reddish black, but the powder after the heat treatment was turned grayish white. When X-ray diffraction measurement (Cu, Kα ray) was performed on each powder before and after heat treatment, diffraction patterns as shown in FIG. 1 (before heat treatment) and FIG. 2 (after heat treatment) were obtained. From the heat-treated powder, the (002) peak of hexagonal boron nitride (h-BN) and the (110) peak of α-Fe were mainly detected. The particle diameter of Fe calculated from the (110) peak of Fe using Rigaku analysis software “Jade 5” was 89 nm. Table 1 summarizes the particle sizes of each phase and Fe detected from the X-ray diffraction pattern. Further, Table 2 shows the results of measuring the magnetic characteristics of the off-white powder by VSM. The saturation magnetization is 20 times or more the value of Comparative Example 2 described later, and together with the result of X-ray diffraction measurement, Fe2O3It can be seen that is reduced to Fe. Further, only the powder sucked up from the grayish white powder with a permanent magnet was subjected to a corrosion resistance test for 24 hours at a humidity of 100% and 120 ° C. using a PCT tester, and then subjected to oxygen analysis by an ashing method. The obtained results are shown in Table 3.
[0081]
  (Example 2)
  Fe2O3Fe instead of powder3O4An off-white powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that powder (average particle size: 0.5 μm) was used, and X-ray diffraction, VSM measurement, and PCT test were performed.
[0082]
  (Reference Example 1)
  The mixed powder was heat-treated and subjected to X-ray diffraction and VSM measurement in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of boron powder (b powder) was 20% by mass.
  (Comparative Example 1)
  The mixed powder was heat-treated in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 500 ° C., and X-ray diffraction and VSM measurement were performed.
  (Comparative Example 2)
  A corrosion resistance test was performed on Fe powder having an average particle size of 20 nm (ultrafine particles manufactured by Vacuum Metallurgical Co., Ltd.) under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 3.
[0083]
[Table 1]
Figure 0003734170
[0084]
[Table 2]
Figure 0003734170
[0085]
[Table 3]
Figure 0003734170
[0086]
  (Example 3)
  5 g of Fe oxide powder containing Ni and 5 g of boron powder were put into a V-type mixer and mixed. An appropriate amount of this mixed powder is filled in an alumina boat, placed in a furnace, heated in a nitrogen gas stream having a flow rate of 2 (l / min) at a rate of 3 ° C / min from room temperature, And kept in the furnace for 2 hours. Observation of the powder after the heat treatment gave metal particles whose surface was coated with boron nitride. The composition analysis revealed that the metal particles were Fe containing Ni.
[0087]
  Example 4
  The metal particle and BN or C separation operation will be described. FIG. 4 shows a production process diagram of BN-coated metal particles and BN microparticles. When the coated metal particles are manufactured, the manufacturing process is S1-> S2-> S3-> S4 in FIG. In S 2, the boron nitride crucible 42 containing the raw material powder was heat-treated in the tubular furnace 43. Since the heat-treated powder obtained in S2 is a mixed powder 41 of coated metal particles and fine bodies, the coated metal particles were recovered through the separation and purification steps of S3 and S4. In step S3, the heat-treated powder dispersed in a medium 45 typified by an organic solvent such as acetone or ethanol was stirred in the washing tank 44, and the coated metal particles were naturally precipitated. An ultrasonic cleaning device 46 was used to apply ultrasonic waves to the cleaning tank 44 as a stirring means. In place of applying ultrasonic waves, manual stirring with a glass rod or a stirrer such as a pencil mixer was used as a stirring means, and sufficient stirring was achieved.
[0088]
  In step S4, the coated metal particles 48 were recovered by removing the supernatant liquid 47 and drying the precipitate. At the same time, when the supernatant was dried, BN microparticles were recovered. In the above process, BN-coated metal particles and BN microparticles could be obtained simultaneously. In particular, when only the BN micro object is manufactured, the manufacturing process may be S1-> S2-> S5-> S6 in FIG. Step S5 is a step of dissolving the metal particles in the heat-treated powder with an acidic solution such as hydrochloric acid or sulfuric acid. After the heat treatment powder was immersed in the acidic solution, the precipitate was collected. In step S6, the precipitate is washed with water and then dried. An appropriate amount of pure water was poured into the precipitate obtained in S5, and the mixture was stirred with a glass rod or the like, and then precipitated again to remove the supernatant, followed by drying to obtain BN microparticles. In order to completely remove the acidic solution, the step S6 is preferably repeated several times. The above production process could be applied to a process of producing metal particles and carbon microparticles coated with carbon.
[0089]
  FIG. 5 is a photomicrograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope (TEM), showing BN-coated Fe particles. FIG. 6 is a schematic diagram for schematically explaining the structure of FIG. As shown in FIG. 6, the Fe particles 1 are covered with a BN film 2. The photograph which expanded further the mode of the BN film is shown in FIG.
[0090]
  FIG. 7 is a photomicrograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope, showing BN-coated Fe particles. FIG. 8 is a schematic diagram for schematically explaining the structure of FIG. As shown in FIG. 7, the BN film coated on the surface of the Fe particles 1 has a stripe pattern of stacked crystal lattices. In the portion of the lattice plane 3, a plurality of lattice planes are stacked substantially in parallel with the lattice plane along the surface of the Fe particle 1. It can be seen that the portions of the lattice plane 4 and the lattice plane 5 have portions where the lattice planes are not parallel to each other, but sufficiently cover the surface of the Fe particles 1.
[0091]
  (Example 5)
  Α-Fe with an average particle size of 0.03 μm2OThree5 g of powder (a powder) and 5 g of carbon powder (b powder) having an average particle diameter of 20 μm were put into a V-type mixer and mixed for 10 minutes. An appropriate amount of this mixed powder 51 is filled in a boron nitride crucible 52, the crucible 52 is placed in a tubular furnace 53, and the temperature is increased from room temperature to 3 ° C./min in a nitrogen gas flow with a flow rate of 2 l / min. Then, it was kept at 1000 ° C. for 2 hours and cooled to the room temperature at a rate of 3 ° C./min. The structure of the tubular furnace is shown schematically in FIG. When X-ray diffraction measurement (Cu, Kα ray) was performed on each powder before and after heat treatment, diffraction patterns as shown in FIG. 9 (before heat treatment) and FIG. 10 (after heat treatment) were obtained. From the heat-treated powder, the (002) peak of graphite and the (110) peak of α-Fe were mainly detected. Further, Table 4 shows the results of measuring the magnetic characteristics of the powder after the heat treatment with a VSM (sample vibration magnetometer). The saturation magnetization is about 100 times the value of Comparative Example 4, and together with the result of X-ray diffraction measurement, Fe magnetization2OThreeIt can be seen that is reduced to Fe. After the heat-treated powder is exposed to a PCT tester (pressure cooker test tester) at 100% humidity, 120 ° C. and 1 atm for 24 hours, the oxygen content of the powder is analyzed for oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer in metal ( HORIBA EMGA-1300). The analysis results of the oxygen amount are shown in Table 5. Even after the PCT test, there is no increase in oxygen content, confirming that the Fe powder surface is coated with a graphite film. The analysis of oxygen, nitrogen, and hydrogen in the metal described above was performed by pyrolyzing O, N, and H in the sample by filling a graphite crucible with 0.5 g of the sample powder and rapidly heating the crucible to 2000 to 3000 ° C. , CO generated by gas chromatograph and thermal conductivity detector2, N2, H2In this method, the content of O, N, and H is analyzed by detecting O gas.
[0092]
  (Comparative Example 3)
  The mixed powder was heat treated in the same manner as in Example 5 except that the heat treatment temperature was 500 ° C., and X-ray diffraction, VSM measurement, and PCT test were performed. The X-ray diffraction pattern does not change before and after the heat treatment, and the reaction does not proceed. The value of saturation magnetization is hardly changed.
[0093]
  (Comparative Example 4)
  A corrosion resistance test was performed on Fe powder (ultrafine particles manufactured by Vacuum Metallurgical Co., Ltd.) having an average particle size of 0.02 μm under the same conditions as in Example 5. The saturation magnetization is that of pure iron (about 260 × 10-6wb · m / kg) to about 30%.
[0094]
[Table 4]
Figure 0003734170
[0095]
[Table 5]
Figure 0003734170
[0096]
  FIG. 11 is a photomicrograph of the structure of ultrafine metal particles according to Example 5 observed with a TEM (transmission electron microscope). In TEM observation, no processing that gives damage or mutation to particles other than the necessary sample preparation is performed. FIG. 12 is a schematic diagram schematically illustrating the structure of FIG. 11 and is slightly enlarged. The ultrafine metal particles 11 are particles in which the surfaces of α-Fe particles 12 are all coated with a graphite thin film 20 having a predetermined thickness. This coating protects the surface of the α-Fe particles 12 and effectively prevents oxidation. The projections 21 and 21b scattered on the outside of the graphite thin film 20 are presumed to be either those in which a different layer of graphite has grown or those to which foreign matter has adhered. The light-dark patterns 13a, 13b, and 13c of the α-Fe particles 11 themselves are interference patterns (indicated by two-dot chain lines) due to the shape (substantially spherical) of the α-Fe particles 11. At both ends of the α-Fe particles, the boundary 14 of the graphite thin film is photographed slightly indistinctly, so that it is indicated by a dotted line. This is because it is difficult to focus on everything due to the substantially spherical shape, and the actual shape is not unclear. A region whose outline is indicated by a one-dot chain line is a collodion film 15 for fixing the metal ultrafine particles 11 to a sample holder for TEM observation. A line and a reference numeral 16 are scales corresponding to a length of the three lines of 20 nm. The scale at the time of photographing FIG. 11 was copied and added to FIG.
[0097]
  FIG. 13 is a photomicrograph of the particle structure according to the present invention observed with a TEM (transmission electron microscope), and illustrates the appearance of the graphite thin film 20 by enlarging the vicinity of the lower left half of FIG. The structure of FIG. 13 will be schematically described with reference to the schematic diagram of FIG. The graphite thin film 20 is mainly composed of a graphite crystal structure. For example, the lattice fringes 20 a, 20 b, and 20 c represent a layered lattice plane of graphite, and the lattice fringes are substantially equally spaced and are arranged substantially parallel to the surface of the α-Fe particles 12.
[0098]
  However, since the α-Fe particles are spherical and have some irregularities on the surface thereof, a part of the graphite thin film is inclined with respect to the surface of the α-Fe particles 12 like the lattice stripes 20f. There are also places that do. The lattice fringes 20f are derived from the other lattice fringes 20e, and further become the lattice fringes 20d. Although the illustration of the lines is omitted, the lattice fringes 20d are arranged substantially parallel to the surface of the α-Fe particles 12. As described above, the graphite thin film has a portion where the arrangement direction of the layered lattice plane is changed or the arrangement state is unclear (a portion that looks like a satin pattern), but the adjacent crystal structures are matched. In order to grow such that the plane of the crystal structure is parallel to the surface of the α-Fe particles 12, a substantially uniform graphite thin film coating is formed.
[0099]
  In the graphite thin film 20 of FIG. 14, a part of lattice fringes is schematically illustrated by a solid line or a dotted line. Although not shown, a crystal structure also exists in the blank portion. Further, it is estimated that there is an intermediate layer 25 between the surface of the α-Fe particles 12 and the graphite thin film 20, and the details will be described with reference to FIGS. 15 and 16.
[0100]
  FIG. 15 is a micrograph of the structure of the particles according to the present invention observed with a TEM (transmission electron microscope), and is a photograph further enlarging the vicinity of the graphite thin film 20 of FIG. FIG. 16 is a schematic diagram schematically illustrating the structure of FIG. 15 and is slightly enlarged. In the α-Fe particles 12, lattice fringes 24 are seen along the direction of arrow a, indicating a peculiar crystal plane of α-Fe. Since it is difficult to reproduce the state in which the arrangement of Fe atoms is connected in a rosary manner, it is displayed with a dotted line. In the vicinity of the surface of the α-Fe particles 12, the lattice stripes along the arrow a are broken, but the end of the array forms a flat surface, and the starting point for the gradual growth of graphite crystals. (Graphite growth layer). Hereinafter, these regions are referred to as an intermediate layer 25. The graphite thin film 20 grows and is formed through the intermediate layer 25.
[0101]
  As shown in FIG. 16, if the surface of the α-Fe particles 12 is a relatively smooth spherical surface (flat surface), the layered lattice surface 22 of graphite becomes a surface along the arrow d and is regularly arranged in parallel. As it grows, it forms a dense and very thin coating. Here, the term “dense” refers to having a portion in which regular lattice planes are stacked. In the direction perpendicular to the arrow d, 15 to 17 layers of the surface of the layered lattice were laminated to form a very thin film. The thickness of the intermediate layer 25 appears to be one or two layers in terms of the interval between the graphite layered lattice planes 22. When the crystal plane of graphite that has begun to grow is included in the intermediate layer, the thickness of the intermediate layer 15 is about 2 to 4 layers in terms of the interval between the layered lattice planes 22 of graphite.
[0102]
  The dislocation portion 23 is presumed to be a portion where the crystal growth is shifted and the crystal structure is discontinuous. It is assumed that when a layered lattice grows to have a laminated structure, growth of a certain part is delayed by one layer due to lattice defects. When the growth of a certain part is resumed, the lattice plane of the n−1th layer of a certain part and the lattice plane of the nth layer of the adjacent part may be combined to form one surface (dislocation surface). . The occurrence rate of dislocation surfaces is not high, and it can be said that the entire coating film is a uniform and dense thin film. In addition, although the convex part 21b exists in the surface of the graphite thin film 20, since it was not image | photographed clearly by the photograph of FIG. 15, the location was displayed with the dotted line.
[0103]
  (Reference example 2)
  Hematite with an average particle size of 0.03 μm (Fe2O3) 3 g of powder and 7 g of boron powder having an average particle size of 26 μm were put into a V-type mixer and mixed for 10 minutes. This mixed powder 121 is filled in a boron nitride crucible 122 and installed in a tubular electric furnace 123, and the temperature is increased from room temperature to 3 (° C./min) in a nitrogen gas stream at a flow rate of 2 (l / min). After warming, it was kept at 1100 ° C. for 2 hours and cooled to room temperature. The mixed powder before the heat treatment was reddish black, but the powder after the heat treatment was turned grayish white. X-ray diffraction measurement (Cu, Kα ray) was performed on the powder after heat treatment.18A diffraction pattern as shown in FIG. 5 is obtained, and from the heat-treated powder, diffraction peaks of hexagonal boron nitride (h-BN), rhombohedral boron nitride (r-BN), and α-Fe are obtained. Detected. To separate boron nitride and Fe, 500 cc of acetone (0.5 × 10-3m35 g of the above powder was put in, and ultrasonic cleaning was performed for 5 minutes to separate the supernatant and the precipitate. The supernatant liquid 127 was left in the fume hood for an additional 24 hours to dry the acetone and collect boron nitride powder 128 (weight 6 g).
[0104]
  When this boron nitride powder was observed with a transmission electron microscope (TEM), a wire-like structure as shown in the photograph of FIG. 19 was observed. When the lattice image was analyzed, the boron nitride wire had a rhombohedral structure. The unit of flow rate is (l / min) ≈about 16.7 × 10-6(M3/ S).Reference example 2The manufacturing process includes a powder mixing step (S11), a heat treatment step in atmosphere (S12), an ultrasonic application step (S13) to the medium in which the powder is dispersed, and a boron nitride microparticle separation / drying step (S14). And corresponds to the process flow and schematic diagram of FIG. In the figure, reference numeral 124 denotes a cleaning tank, reference numeral 126 denotes an ultrasonic cleaner, and reference numeral 125 denotes a solvent (acetone) in which the powder after heat treatment is dispersed. In addition, if an ultrasonic wave can be applied in order to disperse | distribute the produced | generated particle | grains, it can use not only in a washing machine.
[0105]
  FIG. 20 is a schematic view showing the structure of the photograph shown in FIG. 19 and shows a wire-like boron nitride micro body. The boron nitride micro-body 101 is formed into a long bent tube shape by connecting a plurality of tubes 103 each having a cavity 102 therein. One end is terminated with the structure of the tube 103. The other end is terminated with the h-BN tissue 112 through the tissue in which the tube 103 is mixed with the r-BN tissue and the h-BN-like portion 112b. In FIG. 20, the curve indicated by the dotted line represents the outer extension of the collodion film for fixing the boron nitride micro-object 101 to the sample holder of the electron microscope. The lines and letters on the right outside of the square enclosure in FIG. 20 indicate that the line length corresponds to a dimension of 200 nm.
[0106]
  FIG. 21 is a schematic diagram showing only the boron nitride tube in FIG. 20 extracted and enlarged. The vicinity of the tip 111 of the tube is seen to overlap with the middle part of the tube, and it is not clear, so it is not clear whether the tip is closed. From the vicinity of the tip, the structure of the cavity 102 and the tube 103 surrounding the cavity 102 continues, and a part considered to be a node 104 between the tubes and a part that appears thick to observe whether the tube is thick or diagonally. There is a possible bump 105. The direction of the continuous tube appears to be largely bent at the bent portion 110, for example. The thickness of the tube does not always appear uniform, and the cavity 102 is formed not only with the bump 105 and the nodes but also with a structure that looks like a complex line or striae. The tube structure is clearly observed from the vicinity of the tip 111 to the node 104b, and the diameter of the tube is 0.12 to 0.20 μm (120 to 200 nm). Since the crystal structure is complex around this area, it is presumed that r-BN and h-BN are mixed or mixed. It is considered that mixing of different phases is related to the bending of the tube. When the crystal structure of the tube 103 that clearly looks like a pipe is magnified and observed, the arrangement of atoms is r-BN that repeats a three-layer cycle, and the repetition direction of the cycle faces the diameter direction of the tube.
[0107]
  (Reference example 3)
  Α-Fe with an average particle size of 0.03 μm2OThree5 g of powder (a powder) and 5 g of carbon powder (b powder) having an average particle diameter of 20 μm were put into a V-type mixer and mixed for 10 minutes. An appropriate amount of this mixed powder 251 is filled in a boron nitride crucible 252 and heated in a tubular furnace 253 at a rate of 3 ° C./min from room temperature in a nitrogen gas flow with a flow rate of 2 l / min. The furnace was cooled to the room temperature at a rate of 3 ° C./min with the time kept. The unit of flow rate is (l / min) ≈about 16.7 × 10-6(M3/ S).
[0108]
  When X-ray diffraction measurement (Cu, Kα ray) was performed on each powder before and after heat treatment, diffraction patterns as shown in FIG. 23 (before heat treatment) and FIG. 24 (after heat treatment) were obtained. From the heat-treated powder, the (002) peak of graphite and the (110) peak of α-Fe were mainly detected. In FIG. 24, ◯ is a peak corresponding to the crystal structure of graphite, ■ is a peak corresponding to the crystal structure of α-Fe, the horizontal axis is 2θ (°) of the diffraction angle, and the vertical axis is diffraction. X-ray intensity (cps). The peak of maximum intensity of graphite has a half width of about 0.2 °, and the crystallinity of the powder after heat treatment is good. Further, when the magnetic properties of the powder before and after the heat treatment corresponding to FIGS. 23 and 24 were measured with a VSM (sample vibration magnetometer), the saturation magnetization was 1.30 × 1010 in the former.-6Wb · m / kg, 131 × 10 for the latter-6Wb · m / kg. From the above, Fe2O3It can be seen that is reduced to Fe.
[0109]
  When the powder after the heat treatment was observed with a TEM (transmission electron microscope), a tube-shaped fine body as shown in FIG. 25 was confirmed. FIG. 25 is a photomicrograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope. As a result of composition analysis using EDX (energy dispersive X-ray detector), it was found that the black particles at the tip of the microscopic body were Fe and the tube was C (carbon).
[0110]
  FIG. 26 is a schematic diagram corresponding to the structure of the photograph of FIG. The carbon microparticle 201 has a structure in which a carbon tube 203 grows in a curved shape based on Fe particles 202. There are a plurality of nodes 204 inside the tube 203, and a region surrounded by the opposite node and the wall 203 b of the tube constitutes a cavity 205. The other end of the tube 203 is closed and forms a distal end portion 206. In this carbon micro object 201, it is considered that the fact that the growth direction of the tube is bent is related to the fact that the thickness of the wall of the tube and the interval between nodes are not uniform. In particular, the tube walls 203c and 203e have a thin tube thickness.
[0111]
  Another carbon microbody 207 has a structure in which a carbon tube 209 grows in a curved shape based on Fe particles 208 and includes other Fe particles 213 at the tip. A plurality of nodes 210 exist inside the tube 209, and a region surrounded by the opposite node and the wall of the tube forms a cavity 211. The Fe particles 220 in the vicinity of the Fe particles 213 appear to be separated by the tube wall 220 and the like. In this carbon micro-body 207, it is not certain whether the Fe particles 213 are attached from the beginning of the tube growth or are taken in during the growth of the tube. Note that the Fe particles 208 and the tube wall 212 only appear to overlap with the carbon microparticles 201 and are not connected. Further, the other Fe particles 214 exist alone. In the figure, a straight line or a curved one-dot chain line represents the outline of carbon 215, 216 as a raw material. The curved dashed-dotted line represents the outline of the collodion films 217 and 218 for fixing the carbon microparticles or the like to the sample holder of the electron microscope. Reference numeral 219 is a scale display entered to make the dimensions of FIG. 26 easier to understand, and the original FIG. 25 does not have such a structure. The length of the three lines on the scale display corresponds to 100 nm.
[0112]
  Based on the photograph of FIG. 25, the ratio of the outer diameter Ro and the inner diameter Ri of each carbon microbody was measured. Measure at any point and get data like (Ri / Ro) = 0.67, 0.75, 0.40, 0.69, 0.57, 0.63, 0.75, 0.44 It was.Reference example 3When the carbon microparticles were manufactured under the above conditions, the average outer diameter and average inner diameter could be changed. Considering these condition changes, the upper limit of (Ri / Ro) can be set to 0.8.
[0113]
  FIG. 27 is a photomicrograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope. In FIG. 25, the vicinity of the joint portion between the Fe particles 202 and the tube 203 is enlarged. FIG. 28 is a schematic diagram corresponding to the structure of the photograph in FIG. In FIG. 28, only the main part of the crystal structure of FIG. 27 is represented by a solid line or a dotted line for easy explanation. Therefore, even if the periphery of the area hatched with a dotted line is blank, the description is omitted.
[0114]
  According to FIG. 28, the Fe particle 202 has a structure that appears to have a surface along a specific crystal plane in most regions. Hereinafter, they are referred to as Fe main phases 220 and 221. On the left side of the Fe main phase 220, a phase 225 having a different orientation of the array surface, a different phase 226 that looks like a satin pattern, and the like were observed. Although the Fe main phase 220 and the like are represented by dotted lines arranged in parallel, the point spacing and the line spacing do not necessarily match those in FIG. This is drawn for easy understanding of the orientation of the line array.
[0115]
  The carbon tube in FIG. 28 will be described. A tube 203 is generated ahead of the virtual boundary line 227 and the Fe main phase 221. It can be seen that the wall of the tubular tube has a structure partitioned by nodes 236 and 239. A region surrounded by the nodes 236 and the Fe particles 202 and the wall of the tube, or a region surrounded by the walls of the nodes 236 and 239 and the tube, was a cavity.
[0116]
  The wall of the tube is mainly composed of a graphite structural phase in the crystal arrangement. Hereinafter, graphite and a similar structure are collectively referred to as a graphite phase. The graphite phase is clearer than Fe in that the crystal arrangement appears to be stacked along a particular plane. It can be said that the surfaces of the graphite phases 230, 231, 232, 233, 237, 238, and 240 are parallel or substantially parallel to the growth direction of the tube wall. On the other hand, at the nodes 236 and 239, the surface of the graphite layer can be said to be orthogonal or substantially orthogonal to the growth direction of the tube wall. At the base of the left side of the node 236, the graphite layer is divided into a downward layer 234 and an upward layer 235 in a Y-shape, and exhibits a structure such as a tree trunk and branches. The root of the node 239 is substantially perpendicular to the wall of the tube, and it is considered that there are at least two types of node tissue. The graphite phase 242 is considered to be a bridge or a node, but cannot be determined because the graphite phase 242 of another structure is mixed.
  It should be noted that the atomic layers of the graphite layer are stacked with a narrow interval as expressed in the graphite layers 235 and 238 and the nodes 236 and 239. Since it is complicated to illustrate all the layers in the same manner, the number of layers is reduced in other portions. In addition, when a layer can be clearly understood, a line is shown, but when it seems to be continuous, it is indicated by a dotted line.
[0117]
  5 g of the powder after the heat treatment was put into 500 cc of acetone and subjected to ultrasonic cleaning for 5 minutes to separate the supernatant and the precipitate. The supernatant liquid 257 was allowed to stand in the fume hood for an additional 24 hours to dry the acetone and obtain carbon fine powder 258. The powder 258 is obtained by improving the ratio of carbon fine bodies by removing coarse transition metal particles and the like.
[0118]
  Reference example 3The manufacturing process includes a powder mixing process, a heat treatment process in the atmosphere, application of ultrasonic waves to the medium charged with powder (dispersion process), separation and drying processes of coarse transition metal particles, etc. Corresponds to the figure. In the figure, reference numeral 254 denotes a cleaning tank, reference numeral 255 denotes a solvent (acetone) in which the powder after heat treatment is dispersed, and reference numeral 256 corresponds to an ultrasonic cleaning apparatus. In addition, as long as it can apply an ultrasonic wave to disperse | distribute each produced | generated particle | grain in a solvent, it can use not only in a washing | cleaning apparatus.
[0119]
【The invention's effect】
  As described above, by using the ultrafine metal particles of the present invention and the method for producing the same, ultrafine metal particles provided with a coating that is safe, simple and suitable for industrial use can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a mixed powder before heat treatment.
FIG. 2 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a mixed powder after heat treatment.
FIG. 3 Fe2O3It is the schematic explaining the reaction process which boron nitride covering Fe particle | grains etc. produce | generate by reacting with B.
FIG. 4 is a manufacturing process diagram of boron nitride-coated metal particles and boron nitride microparticles.
FIG. 5 is a photomicrograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope.
6 is a schematic diagram for schematically explaining the structure of FIG. 5; FIG.
FIG. 7 is a photomicrograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope.
FIG. 8 is a schematic diagram for schematically explaining the structure of FIG. 7;
FIG. 9 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a mixed powder before heat treatment.
FIG. 10 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a mixed powder after heat treatment.
FIG. 11 is a photomicrograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope.
12 is a schematic diagram for schematically explaining the structure of FIG. 3; FIG.
FIG. 13 is a micrograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope.
FIG. 14 is a schematic diagram for schematically explaining the structure of FIG. 5;
FIG. 15 is a micrograph of a particle structure according to the present invention observed with an electron microscope.
FIG. 16 is a schematic diagram for schematically explaining the structure of FIG. 7;
17 is a schematic view of a tubular furnace used in the manufacturing process of Example 1. FIG.
FIG. 18 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the powder of the present invention.
FIG. 19 is a photograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope.
20 is a schematic view corresponding to the structure of the photograph in FIG.
FIG. 21 is a schematic view enlarging a part of FIG. 20;
FIG. 22Reference example 2It is the flow and schematic diagram explaining the manufacturing process of.
FIG. 23 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a mixed powder before heat treatment.
FIG. 24 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a mixed powder after heat treatment.
FIG. 25 is a photomicrograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope.
26 is a schematic view corresponding to the structure of the photograph in FIG. 25. FIG.
FIG. 27 is a micrograph of a particle structure according to the present invention observed with an electron microscope.
28 is a schematic view corresponding to the structure of the photograph in FIG. 27. FIG.
FIG. 29Reference example 3It is a process flow and a schematic diagram explaining a manufacturing process.
[Explanation of symbols]
  1 Fe particle, 2 BN coating, 3 lattice plane, 4 lattice plane,
  5 lattice planes,
  11 ultrafine metal particles, 12 α-Fe particles,
  13a 13b 13c pattern,
  14 Boundary of graphite thin film, 15 Collodion film,
  16 scale, 20 graphite thin film,
  20a 20b 20c plaid,
  20e plaid, 20d plaid, 20f plaid,
  21 21b Convex part,
  22 layered lattice plane,
  23 dislocations, 24 checkers,
  25 Intermediate layer, 27 Graphite growth layer,
  41 mixed powder, 42 boron nitride crucible, 43 tubular furnace,
  44 cleaning tank, 45 medium, 46 ultrasonic cleaning device,
  47 supernatant, 48 coated metal particles,
  51 mixed powder, 52 boron nitride crucible, 53 tubular furnace,
  101 boron nitride micro, 102 cavity, 103 tube,
  104 104b,
  105 Cobb, 110 Bend, 111 Near tip,
  112 h-BN tissue, 112b h-BN-like site,
  113 collodion membrane, 121 mixed powder, 122 crucible,
  123 tubular electric furnace, 127 supernatant, 128 boron nitride powder,
  201 carbon microparticles, 202 Fe particles, 203 tubes,
  203b the wall of the tube,
  203c 203e the wall of the tube,
  204, 205 cavity, 206 tip,
  207 carbon microparticles, 208 Fe particles, 209 tube, section 210,
  211 cavities, 212 tube walls, 213 Fe particles,
  214 Fe particles,
  215 216 raw material carbon,
  217 218 collodion membrane,
  219 scale display, 220 Fe particles,
  220 221 Fe main phase,
  224 227 virtual border,
  225 Phases with different orientation of the surface of the array, 226 Different phases that look like satin patterns,
  230 231 232 233 237 238 240 graphite phase,
  234 235 graphite phase,
  236, 239,
  241 Graphite phase, 242 Graphite phase of other structures,
  251 mixed powder, 252 boron nitride crucible, 253 tubular furnace,
  254 cleaning tank, 255 solvent in which the powder after heat treatment is dispersed,
  256 Ultrasonic cleaning device, 257 Supernatant liquid, 258 Powder of carbon microparticles

Claims (15)

金属酸化物とほう素を含有する粉末を混合した粉末を窒素を含む雰囲気中で熱処理して、前記金属酸化物を還元することにより得られた金属粒子であり、かつ前記金属粒子の表面は窒化ほう素で被覆されており、平均粒径が1μm以下であることを特徴とする金属超微粒子。 Metal particles obtained by heat-treating a powder obtained by mixing a metal oxide and boron-containing powder in an atmosphere containing nitrogen and reducing the metal oxide, and the surface of the metal particles is nitrided An ultrafine metal particle which is coated with boron and has an average particle size of 1 μm or less. 前記金属粒子の金属は、FeまたはFeを含む合金であることを特徴とする請求項1に記載の金属超微粒子。The metal ultrafine particles according to claim 1, wherein the metal of the metal particles is Fe or an alloy containing Fe . 前記金属粒子の表面は、主としてh−BNの結晶構造を有する窒化ほう素で構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の金属超微粒子。  3. The ultrafine metal particles according to claim 1, wherein the surface of the metal particles is mainly composed of boron nitride having an h-BN crystal structure. 前記窒化ほう素は、膜厚100nm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の金属超微粒子。  The ultrafine metal particles according to any one of claims 1 to 3, wherein the boron nitride has a thickness of 100 nm or less. 前記窒化ほう素は、結晶の格子面もしくは積層面が2層以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の金属超微粒子。  The metal ultrafine particles according to any one of claims 1 to 4, wherein the boron nitride has two or more crystal lattice planes or stacked planes. 前記金属超粒子は粒子を構成する主成分が磁性金属元素であり、前記金属超微粒子の飽和磁化は、前記磁性金属元素の材質固有の飽和磁化の10%以上且つ100%未満であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の金属超微粒子。The metal ultraparticle is mainly composed of a magnetic metal element, and the saturation magnetization of the metal ultrafine particle is 10% or more and less than 100% of the saturation magnetization specific to the material of the magnetic metal element. The metal ultrafine particles according to any one of claims 1 to 5. 熱処理前の含有酸素質量(mass%)に対して、湿度100%、温度120℃、1気圧、24時間の条件で熱処理した後の酸素質量増分が50%以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の金属超微粒子。  The oxygen mass increment after heat treatment under conditions of humidity 100%, temperature 120 ° C, 1 atm, 24 hours with respect to the oxygen content (mass%) before heat treatment is 50% or less. Metal ultrafine particles according to any one of 1 to 6. 金属酸化物と炭素を含有する粉末を混合した粉末を窒素を含む雰囲気中で熱処理して、前記金属酸化物を還元することにより得られた金属粒子であり、かつ前記金属粒子の表面は主としてグラファイトで構成されている炭素で被覆されており、前記グラファイトの結晶の層状格子面は前記金属粒子の面に沿って形成され、平均粒径が1μm以下であることを特徴とする金属超微粒子。A metal particle obtained by heat-treating a powder obtained by mixing a metal oxide and carbon-containing powder in an atmosphere containing nitrogen and reducing the metal oxide, and the surface of the metal particle is mainly graphite. An ultrafine metal particle, characterized in that it is coated with carbon, and the layered lattice plane of the graphite crystal is formed along the plane of the metal particle, and the average particle size is 1 μm or less. 前記グラファイトの結晶の層状格子面が4〜20層であることを特徴とする請求項8に記載の金属超微粒子。9. The ultrafine metal particles according to claim 8, wherein the layered lattice plane of the graphite crystal is 4 to 20 layers. 前記金属超粒子は粒子を構成する主成分が磁性金属元素であり、前記金属超微粒子の飽和磁化は、前記磁性金属元素の材質固有の飽和磁化の10%以上且つ100%未満であることを特徴とする請求項8または9に記載の金属超微粒子。The metal ultraparticle is mainly composed of a magnetic metal element, and the saturation magnetization of the metal ultrafine particle is 10% or more and less than 100% of the saturation magnetization specific to the material of the magnetic metal element. The metal ultrafine particles according to claim 8 or 9. 熱処理前の含有酸素質量(mass%)に対して、湿度100%、温度120℃、1気圧、24時間の条件で熱処理した後の酸素質量増分が50%以下であることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の金属超微粒子。The oxygen mass increment after heat treatment under conditions of humidity 100%, temperature 120 ° C, 1 atm, 24 hours with respect to the oxygen content (mass%) before heat treatment is 50% or less. The ultrafine metal particles according to any one of 8 to 10. 金属の酸化物を含有する粉末とほう素を含有する粉末を混合した粉末を、窒素を含む雰囲気中で熱処理することにより、窒化ほう素で被覆された金属粒子を作製することを特徴とする金属超微粒子の製造方法。A metal characterized by producing metal particles coated with boron nitride by heat-treating a powder containing a metal oxide-containing powder and a boron-containing powder in an atmosphere containing nitrogen. A method for producing ultrafine particles. 前記熱処理は800〜1700℃の温度で行われることを特徴とする請求項12に記載の金属超微粒子の製造方法。The method for producing ultrafine metal particles according to claim 12, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 800 to 1700 ° C. 金属の酸化物を含有する粉末と炭素を含有する粉末を混合した粉末を、窒素を含む雰囲気中で熱処理することにより、炭素で被覆された金属粒子を作製することを特徴とする金属超微粒子の製造方法。A metal particle coated with carbon is produced by heat-treating a powder containing a metal oxide-containing powder and carbon-containing powder in an atmosphere containing nitrogen. Production method. 前記熱処理は600〜1600℃の温度で行われることを特徴とする請求項14に記載の金属超微粒子の製造方法。The method for producing ultrafine metal particles according to claim 14, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 600 to 1600 ° C.
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