JP5280217B2

JP5280217B2 - 金属−炭素複合材料

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Publication number: JP5280217B2
Application number: JP2009006055A
Authority: JP
Inventors: 裕治瀧本; 崇井上
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-01-14
Also published as: JP2010163308A

Description

本発明は、炭素元素よりなる極微小円筒状繊維（以下、カーボンナノチューブと称す）や金属内包フラーレン等の微小炭素材料の製造に好適に用いられる金属−炭素複合材料に関するものである。

微小炭素材料であるカーボンナノチューブは、一層で構成された単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）と、二層以上で構成された多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）とに大別される。上記ＳＷＮＴは、ＳＴＭ探針、分子ワイヤー、量子細線としてナノスケールの新規な電子デバイスの可能性が示唆される一方、上記ＭＷＮＴは繊維強化素材や導電性素材としての利用が示唆され一部実用化されている。
ここで、上記カーボンナノチューブの合成方法としては、アーク合成法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法などが知られていが、これら合成方法の中でも、アーク放電法は、レーザーアブレーション法に比較してカーボンナノチューブを多量に合成でき、且つ、ＣＶＤ法に比較して品質に優れるという特徴があるので、カーボンナノチューブの合成方法として有望視されている。

上記アーク放電法による合成は、真空容器内を２００〜５００Ｔｏｒｒ程度のヘリウムガスあるいは水素などで満たし、その中で対向する炭素電極間にアーク放電を起させて炭素と金属を蒸発させることにより行なわるものであり、上記炭素電極としては、金属を含まない純炭素電極、又は、金属を含む金属−炭素複合電極が用いられている。そして、上記純炭素電極を用いると煤中にＭＷＮＴが多く生成する傾向にあり、上記金属−炭素複合電極を用いると煤中にＭＷＮＴとともに、ＳＷＮＴが多く生成する傾向があるということが一般的に知られている。

上記金属−炭素複合電極を用いる場合には、当該電極中に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの鉄族金属を数ｍｏｌ％分散しておくと、それらの金属を触媒としてカーボンナノチューブが生成するといわれている（下記非特許文献１参照）。また、金属−炭素複合電極中に鉄族元素以外の金属（白金族元素や希土類元素）を分散し、カーボンナノチューブの生成触媒として利用できることも報告されている（下記非特許文献２参照）。
更に、金属−炭素複合電極としては、黒鉛電極棒に穴をあけて任意の金属粉末とカーボン粉末との混合物を充填したもの、または、金属触媒のより効率的な利用を考慮すべく、金属を炭素原料と混合した後、その混合物を成形、焼成したものが提案されている（下記特許文献１参照）。

ここで、上記金属−炭素複合電極を用いてカーボンナノチューブを生成させる際の詳細は未だに不明な点が多いが、簡単に説明すると以下のような過程を経ると考えられている。尚、レーザーアブレーション法においてはプルームが、アーク放電法のアークに相当すると考えられるので、アーク放電法を例にとって以下に説明する。
まず、アーク放電時には炭素電極は自らのジュール熱により１０００℃〜２０００℃程度の高温になり、さらに、アークプラズマに直接接する部分は３０００℃以上の高温になるといわれている。３０００℃以上の高温に曝されることにより、炭素および金属は昇華あるいは蒸発してアークプラズマの内部へ侵入し、その後、アークプラズマの外部へ飛散するという一連の過程において、炭素と金属との相互作用の結末としてカーボンナノチューブが生成すると考えられている。この際、金属は何らかの触媒として重要な役割を担うことが報告されている（下記非特許文献３参照）。

特開平５−２８２９３８号公報

Ｃ．Ｊｏｕｒｎｅｔ，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ３８８，７５６（１９９７）斎藤弥八、カーボンナノチューブの基礎、２６頁、コロナ社Ｍ．Ｙｕｄａｓａｋａ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ，Ｖｏｌ７４，７３３（２００２）

ところで、アーク放電の開始後、炭素電極がジュール熱による発熱や、アークプラズマによる加熱を被る際、金属元素が炭素元素より低温で蒸発する傾向があることから、金属−炭素複合電極中の金属がプラズマ外で多量に蒸発してしまうことがある。このため、アークプラズマに接する金属−炭素複合電極の端面近傍において、金属の濃度が著しく低下し、アークプラズマ内における触媒金属または内包金属が不足するため、カーボンナノチューブまたは金属内包フラーレンの収率が低下すると共に、プラズマ外で蒸発した余分な金属が煤中に混入するため、カーボンナノチューブまたは金属内包フラーレンの純度が低下するという課題を有していた。

そこで、本発明は、炭素に先立って金属が蒸発するのを抑制することによって、カーボンナノチューブまたは金属内包フラーレンの収率向上とカーボンナノチューブまたは金属内包フラーレンの純度向上とを図ることができる金属−炭素複合材料を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、炭素材料とこの炭素材料に分散された金属粒子とを備えた金属−炭素複合材料であって、上記炭素材料は第１炭素材料とこの第１炭素材料より黒鉛化度が低い第２炭素材料とから成り、且つ、上記第１炭素材料と上記金属粒子とを含み内部に開気孔を備えた基部と、この基部の開気孔内に設けられ上記第２炭素材料から成る充填部と、から構成されることを特徴とする。
内部に開気孔を備えた基部においては、金属粒子の表面は第１炭素材料に覆われている部分もあるが、開気孔内に露出している部分もある。このように、金属粒子の表面が露出状態にあると、ジュール熱による発熱やアークプラズマによる加熱を被る際に、金属粒子の蒸発が加速される。
しかしながら、上記構成の如く、基部の開気孔内に第２炭素材料から成る充填部が配されていれば、開気孔に露出する金属粒子の表面が第２炭素材料により覆われることになる。したがって、ジュール熱による発熱やアークプラズマによる加熱を被る場合であっても、金属粒子の蒸発を抑制できる。

上記充填部がピッチ含浸法により形成されていることが望ましい。
ピッチ含浸法は、炭素材料（具体的には、第１炭素材料より黒鉛化度が低い第２炭素材料）を開気孔内に含浸した後、焼成するという簡単な方法であるので、充填部を簡単に作製することができる。

上記開気孔の容積が５０ｍｍ^３／ｇ以下であることが望ましい。
一般に、上記基部の開気孔の容積は１００ｍｍ^３／ｇ以上であるので、金属−炭素複合材料全体としての開気孔の容積を５０ｍｍ^３／ｇ以下に規制しておけば、開気孔内の大部分が第２炭素材料により充填されることになる。したがって、開気孔に露出する金属粒子の表面の大部分が、第２炭素材料により覆われることになるので、上記作用効果が十分に発揮される。

上記第１炭素材料に対する上記第２炭素材料の重量比率が５〜４０重量％の範囲にあることが好ましく、１０〜３０重量％の範囲にあることがより望ましい。
第１炭素材料に対する第２炭素材料の重量比率が５重量％未満であると、第２炭素材料の量が少なくなって、開気孔に露出する金属粒子の表面を第２炭素材料で覆うことができない場合がある。また、第１炭素材料に対する第２炭素材料の重量比率を１０重量％以上にすることにより、開気孔に露出する金属粒子の表面を第２炭素材料でより確実に覆う効果を高めることができ好ましい。
一方、第１炭素材料に対する第２炭素材料の重量比率が４０重量％を超えると、金属−炭素複合材料における黒鉛化度の高く真比重の大きな炭素（第１炭素材料）の量が低くなるため、特にアーク放電における炭素の蒸発量が減少し、生成する微小炭素材料の量が減少するという不都合が生じる場合がある。さらに、含浸法により第２炭素材料の前駆体を第１炭素材料に充填、焼成して、前記前駆体を第２炭素材料にすることにより金属−炭素複合材料を好ましく製造するが、含浸後の焼成において前駆体から発生する揮発成分を金属−炭素複合材料外へ速やかに排出することが困難となり、割れ等が発生する可能性がある。また、第１炭素材料に対する第２炭素材料の重量比率を３０重量％以下にすることにより、蒸発する炭素量を十分確保して生成する微小炭素材料の生成量を高めることができ、製造時に前駆体から発生する揮発成分を抑制するとともに揮発成分を排出しやすくできるため、より割れのない金属−炭素複合材料とすることができる。

上記金属−炭素複合材料は、アーク放電法又はレーザーアブレーション法によるカーボンナノチューブまたは金属内包フラーレン製造用炭素材料、特に単層カーボンナノチューブ製造用炭素材料として用いることが望ましい。

本発明によれば、金属−炭素複合材料における金属がアークプラズマ外で蒸発するのを抑制でき、アークプラズマ内における触媒金属または内包金属の不足を防止できるので、カーボンナノチューブ、金属内包フラーレン等の微小炭素材料の収率が飛躍的に向上すると共に、プラズマ外で蒸発した余分な金属が混入するのを抑制できるので、カーボンナノチューブ、金属内包フラーレン等の微小炭素材料の純度も向上する。

焼成ブロックの内部状態を示す説明図である。焼成ブロックにピッチ含浸を施した場合の内部状態を示す説明図である。焼成ブロックの内部状態を示す写真である。焼成ブロックにピッチ含浸を施した場合の内部状態を示す写真である。アーク放電装置の概略説明図である。本発明材料Ａ及び比較材料Ｚにおける陽極先端からの距離と灰分量との関係を示すグラフである。本発明材料Ａ及び比較材料Ｚにおける加熱後の金属濃度の変化量を示すグラフである。本発明材料Ａのラマン分光分析結果を示すグラフである。比較材料Ｚのラマン分光分析結果を示すグラフである。本発明材料ＡのＸＲＤによる結晶構造解析を示すグラフである。比較材料ＺのＸＲＤによる結晶構造解析を示すグラフである。本発明材料Ａ及び比較材料ＺにおけるＣＮＴ煤中の灰分濃度を示すグラフである。本発明材料Ｂ及び比較材料Ｙにおける陽極先端からの距離と灰分量との関係を示すグラフである。

以下、金属−炭素複合材料の製造方法を具体的に説明するが、金属−炭素複合材料の製造方法は下記内容によって制限されるものではない。
先ず、炭素骨材としての人造黒鉛（第１炭素材料）１００重量部と、金属微粒子としてのニッケル微粒子と酸化イットリウム微粒子との混合物（各微粒子の平均粒径は共に５μｍであり、ニッケル元素とイットリウム元素との混合比はモル比で４．２：１．０となっている）３９．５重量部と、バインダとしてのフェノール樹脂５０重量部とを、Ｚ型ミキサーで混合した後、混練し、更に熱ロール（約１００℃）で混練を完結させた。次に、この混練物を平均粒径が数十μｍに成るように粉砕した後、この粉砕物を４００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で室温にて金型成形を行なった。その後、この成形体をアルゴンガス雰囲気中５Ｔｏｒｒ、温度１１００℃で焼成することにより、焼成ブロック（基部）を作製した。
しかる後、上記焼成ブロックに低融点ピッチ（第２炭素材料の前駆体）を加圧含浸（真空中に配置した焼成ブロックに低融点ピッチを流し込んだ後に加圧して含浸する方法）した後、この含浸ブロックを還元雰囲気下で焼成するという含浸、焼成工程を２回繰り返し行うことにより、金属−炭素複合材料を作製した。このような含浸、焼成工程を経ることにより、上記焼成ブロックの開気孔内に低融点ピッチの炭素化物が配置されることとなる。具体的には、焼成ブロックの状態では図１及び図３に示すように、炭素骨材１間には開気孔４が存在し、この開気孔４に露出する金属微粒子２が存在する。しかしながら、含浸、焼成工程終了後には、図２及び図４に示すように、炭素骨材１間に存在していた開気孔４内にピッチ３が充填されるため、金属微粒子２が露出するのを抑制できる。

（その他の事項）
（１）図２に示すように、ピッチ３が開気孔４内に完全に充填された状態である必要はなく、金属微粒子２を覆う程度にピッチ３が開気孔４内に存在すれば良い。
（２）開気孔４内に存在する第２炭素材料の前駆体としては、上記ピッチに限定するものではなく、タール、フェノール樹脂、フルフリルアルコール、フラン樹脂、イミド系樹脂ワニス等、含浸が可能であって含浸後の焼成により炭素化する材料であって、炭素化後に第１炭素材料より黒鉛化度が低いものであればその種類は問わない。また、アルコールなどの適当な有機溶媒を含んでいても構わない。

（３）炭素骨材となる炭素材料（第１炭素材料）としては、人造黒鉛に限定するものではなく、第２炭素材よりも黒鉛化度が高いものであれば、天然黒鉛やキッシュ黒鉛などの黒鉛質、あるいはコークス、ガラス状炭素、カーボンブラックなどの炭素質等を用いることも可能である。また、炭素骨材となる炭素材料は粉末状であることが望ましく、その平均粒径は１００μｍ以下のであることが好ましい。特に、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、その中でも５μｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。これは、１μｍを下回る炭素材料はカーボンブラックを除いては入手が困難であり、５μｍを下回ると凝集により金属との均一な分散が困難となり、更に１００μｍを上回ると放電時に粒子離脱を生じて好ましくないという理由によるものである。

（４）金属元素としては、上記ニッケルやイットリウムに限定するものではなく、カーボンナノチューブ又はフラーレンの生成の触媒となる金属あるいは金属内包フラーレンとして内包される金属であれば、その種類は問わない。例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、鉄族元素であるＦｅ、Ｃｏ、白金族元素であるＰｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、希土類元素であるＳｃ、Ｅｕ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｌｕのうち一つ以上から選ぶことができる。上記Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｙ、鉄族元素であるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、白金族元素であるＰｈ、Ｐｄ、Ｐｔなどは、アーク放電法やレーザーアブレーション法による微粒子生成が期待される金属元素であり、特に、Ｙ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉは触媒効果が高く、ＳＷＮＴをより選択的に製造することができ好ましい。また、希土類元素であるＹ、Ｓｃ、Ｅｕ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｌｕは、金属内包フラーレンに内包される金属として挙げることができる。さらに、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌは、イオンスパッタリングによる炭素膜の成膜における添加効果が期待される。

また、上記金属−炭素複合材料においては、金属元素の沸点の高低によらず、その蒸発を抑制することができる。
また、金属は粉末状であることが望ましく、平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、特に５μｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。これは、平均粒径が１μｍを下回る金属は入手が困難かコスト高となる一方、平均粒径が５μｍを下回ると凝集を生じてしまい炭素原料との均一な分散が困難となり、更に平均粒径が１００μｍを上回る塊状の場合は電極中への金属の均一な分散が困難となるからである。

更に、上記金属粒子は、上記金属元素の純金属からなっていても、上記金属元素を含む化合物からなっていてもよい。この金属元素を含む化合物としては、例えば、酸化物、炭化物、有機酸との塩等が挙げられる。金属−炭素複合材においては、一般的に製造の際に焼成工程を有し、高温に曝されるため、焼成前に添加した金属粒子が化学反応を起こし、純金属、炭化物等に変化する場合があるが、金属元素が含まれていれば化学変化を起こしたとしても特に問題はない。
加えて、触媒となる金属Ｘの添加量は、炭素原子Ｃに対して、Ｘ：Ｃ＝１：５から１：３００までの範囲内であることが望ましい。

（５）上記金属−炭素複合材料は、金属粒子の蒸気圧が１０^−２Ｔｏｒｒ以上となるような高温に曝される用途、つまり、金属が炭素と独立して蒸発するような雰囲気で有効に用いられる。具体的には、アーク放電法又はレーザーアブレーション法によるナノチューブやフラーレン製造用炭素材料（電極）として有効に用いられる。

（６）上記金属−炭素複合材料は、１０％硝酸に９６時間浸漬した場合、金属−炭素複合材料に残留する金属粒子が、５０重量％以上であることが好ましい。
前記１０％硝酸に９６時間浸漬した場合とは、金属−炭素複合材料において露出している金属粒子が溶出してしまった場合であると考えられる。上記金属−炭素複合材料では、金属粒子が被覆されているため、金属の流出を抑制することができ、ひいてはアーク放電等の高温にさらされた場合において金属の蒸発を防止することができると考えられる。

（第１実施例）
〔実施例〕
実施例としては、上記発明を実施するための最良の形態で示した方法と同様の方法で金属−炭素複合材料を作製した。
このようにして作製した金属−炭素複合材料を、以下、本発明材料Ａと称する。

〔比較例〕
含浸、焼成工程を経ない（即ち、焼成ブロックを金属−炭素複合材料として用いた）他は、上記実施例と同様にして金属−炭素複合材料を作製した。
このようにして作製した金属−炭素複合材料を、以下、比較材料Ｚと称する。

〔実験１〕
上記本発明材料Ａ及び比較材料Ｚを陽極とした直流アーク放電装置（図５に示す）を用い、下記条件でアーク放電し、本発明材料Ａ及び比較材料Ｚにおける先端部（陰極に最も近い部位が先端となっている）からの距離と灰分濃度（陽極中の金属濃度）との関係を調べたので、その結果を図６及び表１に示す。尚、実験は、放電後の陽極を切断し、大気中にて９００度で１２時間加熱し灰化することにより行なった。また、図５において、１０は陽極、１０ａは先端部、１１は陰極、１２はプラズマ、１３は上煤、１４はチャンバー煤、１５は陰極堆積物である。
・実験条件
雰囲気ガスと圧力：２００ＴｏｒｒのＨｅガス中
放電電流：４５０Ａ

図６及び表１から明らかなように、比較材料Ｚでは先端部及びその近傍において灰分の低下が顕著であるのに対して、本発明材料Ａでは先端部及びその近傍において灰分の低下が抑制されていることが認められる。

これは、本発明材料Ａでは、焼成ブロック作製後にピッチ含浸、焼成工程を経ているため、焼成ブロックの開気孔内にピッチが充填される。したがって、金属微粒子（ニッケル微粒子とイットリウム微粒子）が露出するのを抑制できるので、金属微粒子がプラズマ外で蒸発するのを抑制できる。これに対して、比較材料Ｚでは、焼成ブロックをそのまま用いているため、焼成ブロックの開気孔内にピッチが充填されることはない。したがって、金属微粒子（ニッケル微粒子とイットリウム微粒子）が開気孔に露出するのを抑制できず、金属微粒子がプラズマ外で多量に蒸発する、ということに起因するものと考えられる。

〔実験２〕
上記本発明材料Ａ及び比較材料Ｚ（各試料の大きさは、１０ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｍの直方体状を成している）を真空状態の高周波誘導加熱炉内で加熱し、加熱後の金属微粒子の減少率を調べたので、その結果を図７及び表２に示す。
・実験条件
圧力：１×１０^−１Ｔｏｒｒ
温度：１８００℃
加熱時間：１５分

図７及び表２から明らかなように、本発明材料Ａは比較材料Ｚに比べて、金属微粒子の減少（濃度低下）が抑制されていることが認められる。
これは、上記実験１で示したように、本発明材料Ａでは金属微粒子が露出するのを抑制できるので、高温時でも金属微粒子が蒸発するのを抑制できるのに対して、比較材料Ｚでは金属微粒子が露出するのを抑制できず、高温時に金属微粒子が多量に蒸発するということに起因するものと考えられる。

〔実験３〕
上記本発明材料Ａ及び比較材料Ｚ（各試料の大きさは、４ｍｍ×１０ｍｍ×４０ｍｍの直方体状を成している）を１０％の硝酸水溶液中に９６時間浸漬し、浸漬前後における灰分の割合を調べ、その結果から灰分の減少量と灰分の減少率とを算出したので、その結果を表３に示す。

表３から明らかなように、本発明材料Ａは比較材料Ｚに比べて、灰分の減少率が格段に小さくなっていることが認められる。
これは、上記実験１で示したように、本発明材料Ａでは金属微粒子が露出するのを抑制できるので、金属微粒子が酸中に溶出するのを抑制できるのに対して、比較材料Ｚでは金属微粒子が露出するのを抑制できず、金属微粒子が酸中に多量に溶出するということに起因するものと考えられる。

〔実験４〕
上記本発明材料Ａ及び比較材料Ｚのかさ密度、累積細孔容積、硬さ、固有抵抗、曲げ強さ、及び、圧縮強さについて調べたので、その結果を表４に示す。

表４から明らかなように、本発明材料Ａは比較材料Ｚに比べて、累積細孔容積が小さくなっている。このことから、ピッチ含浸、焼成工程を経ことによって、焼成ブロックの開気孔内にピッチが充填されることがわかる。また、累積細孔容積が小さくなることにより、比較材料Ｚに比べて本発明材料Ａはかさ密度が大きくなっていることが認められる。
また、これらのことに起因して、本発明材料Ａは比較材料Ｚに比べて、硬さ、曲げ強さ、及び、圧縮強さが大きくなり、また、固有抵抗が小さくなっていることが認められる。

〔実験５〕
上記本発明材料Ａ及び比較材料Ｚにより作製されたＣＮＴ（カーボンナノチューブ）煤のラマン分光分析を行なったので、その結果を、それぞれ図８及び図９に示す。
図８及び図９から明らかなように、波長が１７０ｃｍ^−１付近に現れるＲＢＭ分布が同等であるということから、各材料により作製されたＣＮＴの直径分布が同じであるということがわかる。また、波長が１６００ｃｍ^−１付近に現れるＧ−Ｂａｎｄのピークは、本発明材料Ａにより作製されたＣＮＴの方が比較材料Ｚにより作製されたＣＮＴより大きくなっていることから、本発明材料Ａにより作製されたＣＮＴ煤は比較材料Ｚにより作製されたＣＮＴ煤よりＳＷＮＴの含有量が増加していることがわかる。

〔実験６〕
上記本発明材料Ａ及び比較材料Ｚにより作製されたＣＮＴ（カーボンナノチューブ）煤のＸ線回折（ＣｕＫα線）を行なったので、その結果を、それぞれ図１０及び図１１に示す。
図１０及び図１１から明らかなように、ＳＷＮＴバンドルが現れる回折線の角度において、本発明材料Ａにより作製されたＣＮＴ煤のピークは比較材料Ｚにより作製されたＣＮＴ煤のピークよりも大きくなっていることが認められ、この結果、本発明材料Ａを陽極に用いた方が比較材料Ｚを陽極に用いるより、ＣＮＴ煤中のＳＷＮＴの含有量が多くなることがわかる。
また、図１０及び図１１の右上にある拡大図より、ニッケル微粒子におけるＸＲＤスペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）は、本発明材料Ａにより作製されたＣＮＴ煤中では０．９７５であり、比較材料Ｚにより作製されたＣＮＴ煤中では０．７８５である。そして、これらの値をシェラーの式に代入してＮｉ粒子径を計算したところ、前者では１１．４ｎｍ、後者では１４．２ｎｍであることがわかった。後者でＮｉ粒子径が大きくなった理由は、プラズマ外でも金属が蒸発し、金属成分の多い蒸気が発生した事に起因すると考えられる。

〔実験７〕
上記本発明材料Ａ及び比較材料Ｚにより作製されたＣＮＴ（カーボンナノチューブ）煤の触媒金属濃度について調べたので、その結果を図１２に示す。尚、図１２において、上煤とは図５における符号１３であり、チャンバー煤とは図５における符号１４であり、陰極堆積物とは図５における符号１５である。
図１２から明らかなように、ＣＮＴが主として生成する上煤において、本発明材料Ａにより作製された上煤は比較材料Ｚにより作製された上煤に比べて、煤中の触媒金属の濃度が低くなっていることが認められる。したがって、本発明材料Ａを陽極に用いると、煤中の触媒金属の濃度が低いにも関わらず、上述した実験から明らかなようにＣＮＴの生成量が多くなるということから、本発明材料Ａを陽極に用いると、触媒金属がＣＮＴの生成に効率的に作用していることがわかる。

（第２実施例）
〔実施例〕
金属微粒子として、ニッケル微粒子と酸化イットリウム微粒子との混合物に代えて、酸化ユーロピウム微粒子を用いた他は、上記第１実施例の実施例と同様にして金属−炭素複合材料を作製した。
このようにして作製した金属−炭素複合材料を、以下、本発明材料Ｂと称する。

〔比較例〕
金属微粒子として、ニッケル微粒子と酸化イットリウム微粒子との混合物に代えて、酸化ユーロピウム微粒子を用いた他は、上記第１実施例の比較例と同様にして金属−炭素複合材料を作製した。
このようにして作製した金属−炭素複合材料を、以下、比較材料Ｙと称する。

〔実験１〕
上記本発明材料Ｂ及び比較材料Ｙを陽極とした直流アーク放電装置（図５に示す）を用いてアーク放電し、本発明材料Ｂ及び比較材料Ｙにおける先端部からの距離と灰分濃度（陽極中の金属濃度）との関係を調べたので、その結果を図１３及び表５に示す。尚、実験方法及び実験条件は、上記第１実施例の実験１と同様である。

図１３及び表５から明らかなように、比較材料Ｙでは先端部及びその近傍において灰分の低下が顕著であるのに対して、本発明材料Ｂでは先端部及びその近傍において灰分の低下が抑制されていることが認められる。
これは、上記第１実施例の実験１で示した理由と同様の理由によるものと考えられる。

〔実験２〕
上記本発明材料Ｂ及び比較材料Ｙの細孔容積について調べた。
その結果、比較材料Ｙの累積細孔容積は７８ｍｍ^３であるのに対して、本発明材料Ｂの累積細孔容積は４４ｍｍ^３であって、本発明材料Ｂは比較材料Ｙに比べて、累積細孔容積が小さくなっていることが認められる。このことから、ピッチ含浸、焼成工程を経ことによって、焼成ブロックの開気孔内にピッチが充填されることがわかる。

〔本発明材料Ａ、Ｂの製造について〕
上記本発明材料Ａ〜Ｂの製造時、１回目及び２回目のピッチ含浸、焼成工程における含浸率やかさ密度について調べたので、その結果を表６に示す。
また、かさ密度および金属の灰分を除く炭素成分の重量から算出した、本発明材Ａにおける第一炭素材料に対する第二炭素材料の割合は２０．２重量％であり、本発明材Ｂにおける第一炭素材料に対する第二炭素材料の割合は１１．０重量％であった。

表６から明らかなように、２回目のピッチ含浸、焼成工程は１回目のピッチ含浸、焼成工程に比べて、含浸率が低下していることが認められる。これは、１回目のピッチ含浸、焼成工程において、焼成ブロックの開気孔内にピッチが存在することになるので、２回目のピッチ含浸、焼成工程を実施する際には、焼成ブロックの開気孔が小さくなっているという理由によるものと考えられる。
但し、２回目のピッチ含浸、焼成工程を終えたときのかさ密度は、１回目のピッチ含浸、焼成工程を終えたときのかさ密度に比べて、大きくなっていることが認められる。このように、かさ密度が大きくなるということは、焼成ブロックの開気孔内のピッチ量が多くなるということから、金属微粒子の露出を一層抑制することができる。以上のことから、ピッチ含浸、焼成工程は複数回行うことが望ましい。

本発明の金属−炭素複合材料は、アーク放電法又はレーザーアブレーション法によるナノチューブ製造用炭素材料として用いることができる。

１：炭素骨材
２：金属微粒子
３：ピッチ
４：開気孔

Claims

炭素材料とこの炭素材料に分散された金属粒子とを備えた金属−炭素複合材料であって、
上記炭素材料は第１炭素材料とこの第１炭素材料より黒鉛化度が低い第２炭素材料とから成り、且つ、上記第１炭素材料と上記金属粒子とを含み内部に開気孔を備えた基部と、この基部の開気孔内に設けられ上記第２炭素材料から成る充填部と、から構成されることを特徴とする金属−炭素複合材料。
上記充填部がピッチ含浸法により形成されている、請求項１に記載の金属−炭素複合材料。
上記開気孔の容積が５０ｍｍ^３／ｇ以下である、請求項１又は２に記載の金属−炭素複合材料。
上記第１炭素材料に対する上記第２炭素材料の重量比率が５〜４０重量％の範囲にある、請求項１〜３の何れか１項に記載の金属−炭素複合材料。
アーク放電法又はレーザーアブレーション法によるナノチューブ製造用炭素材料として用いる、請求項１〜４のいずれかに記載の金属−炭素複合材料。