JP5296438B2 - 炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する方法に関する。
アルミニウムは、調理場で使われるホイル（foil）から、使い捨て食器、窓、自動車、航空機、及び宇宙船に至るまで生活の中で多用途に使われている。アルミニウムの特性としては、鉄の重量の１／３程度と軽く、他の金属と合金化した場合に優れた強度を持つ。また、アルミニウムの表面には化学的に安定した酸化膜が存在して、水分や酸素などによる腐食の進行を防止するため、化学的に安定している。
このような理由からアルミニウムは自動車や航空機などに使われてきた。特に、自動車に使われる場合、アルミニウムホイールは既存の鉄製ホイールに比べて軽いため、自重を減らすことができると共に、車体の軽量化によって燃費減少にも寄与できるという一挙両得の効果がある。しかし、このようなアルミニウムは、引張強度が鉄に比べて約４０％程度しかないため、構造用材として使用する場合は構造用アルミニウム管や板材の厚みが非常に厚くなって、結局、過多な材料及び材料費が必要となるといった問題が発生することになる。
上記のような問題点を改善するために、引張強度に優れた、炭素材料とアルミニウムの複合材料を製造するための研究が活発であるが、炭素材料とアルミニウムの複合体を製造するためには克服すべき問題点がある。その１つ目は、炭素材料、例えば炭素ナノチューブは、チューブ同士のファン・デル・ワールス(Van der waals)力による相互作用のため、分散が容易ではなく、アルミニウム内に均一分散させるのが困難であるという点である。２つ目は、炭素材料とアルミニウム基材との間の相異なる表面張力である。表面張力が異なる場合の代表例が水と油であるが、これらの表面張力の差は２〜３倍程度である。しかし、炭素材料とアルミニウムの場合、最近研究された論文によると、アルミニウムは、その表面エネルギーが９５５ｍＮ／ｍで、炭素材料の場合は４５．３ｍＮ／ｍであることが明らかになった[参考文献：非特許文献１]。これら材料間の表面張力の差は、約２０倍程度あることが明らかになった。即ち、これは、２つの物質がよく混ざらないということである。また、これら２つの物質は、密度も顕著に異なるため、溶融時もよく混ざらない。
このような炭素材料の有する問題点を克服してアルミニウムとの複合体を製造するために、様々な方法が試みられている。その例として、気相配合法、溶液分散法、電気メッキ法、ボールミル法などが挙げられる。
気相配合法は、金属粉末と炭素ナノチューブを気相で混合する技術である。その例として、特許文献１が挙げられる。気相混合は、アルミニウムを含む多様な金属粉末の使用が可能で、炭素ナノチューブと均一混合できるという長所がある。しかし、炭素ナノチューブは、酸化膜を有するアルミニウム粒子中には浸透し難いため、アルミニウム基材内に均一分散されたアルミニウム−炭素材料複合体の製造が困難であるという点で限界がある。
溶液を用いた複合体製造方法は、微細なアルミニウム粒子を溶液に分散させた後、炭素ナノチューブを分散させた溶液と混ぜて溶媒だけを乾燥する技術である。その例として、特許文献２が挙げられる。溶液を用いて混ぜる方法は、炭素ナノチューブを均一に分散させることができるという長所がある。しかし、溶液を用いた方法では、アルミニウム粒子の大きさが小さいものを用いてこそ高い効果が得られ、大きさの小さいアルミニウム粒子を用いると爆発の危険性を伴う。この方法でも、炭素ナノチューブが、アルミニウム粒子の酸化膜中に浸透し難い。このような部分により、複合体製造は困難である。
電気メッキ法としては、複合材料用メッキ液を作り、電位を印加して複合材料がメッキされるようにする方法がある（特許文献３）。この技術は、炭素ナノチューブとアルミニウムをメッキ液の中に溶融させ、これら物質が同時に陰極表面に到達して、複合体が形成されるようにする方法であるが、この場合、炭素材料とアルミニウムとの間の結合力を制御することができず、収率が落ちるという点で限界がある。
最後に、ボールミル法は、物理的強度に優れたボールを用いて、強い物理的衝撃により炭素ナノチューブとアルミニウムを混合する技術である。その例として、特許文献４が挙げられる。上記特許に記載されているボールミル法は、繭状に複雑に絡まっている炭素ナノチューブを粉砕してアルミニウム粒子と分散混合する技術である。この技術では、炭素ナノチューブをアルミニウム粒子表面の酸化膜中に浸透させることができないため、中に入れることができず、単純に混合する水準に留まっている。
J.M. Molina et al. international Journal of adhesion Adhesives 27 (2007) 394-401, S. Nuriel, L. Liu, A.H. Barber, H.D. Wagner. Direct measurement of multiwall nanotube surface tension, Chemical Physics Letters 404 (2005) 263-266 特開２００７−１６２６２号公報（2007. 1.25.）
中国特許出願公開第ＣＮ１４６５７２９Ａ号明細書
特開２００７-７０６８９号公報
特開２００６−３１５８９３号公報（2006.11.24.）
J.M. Molina et al. international Journal of adhesion Adhesives 27 (2007) 394-401, S. Nuriel, L. Liu, A.H. Barber, H.D. Wagner. Direct measurement of multiwall nanotube surface tension, Chemical Physics Letters 404 (2005) 263-266
本発明者等は、ボールミル法によって炭素材料をアルミニウム粒子の中にカプセル化する方法を提示する。また、本発明の方法によって製造されたカプセル化された炭素材料を、その構造が壊れず、炭素材料の結晶性をそのまま確保して強度向上に影響を及ぼし得るように製造しようとする。従って、本発明の目的は、ボールミル（ball mill）法を用いて炭素材料の結晶性を損傷させずに、アルミニウムの中にカプセル化する方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、ボールミル法により炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化してアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、上記方法により製造されたアルミニウム−炭素材料複合体を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、上記方法により製造されたアルミニウム−炭素材料複合体を提供することにある。
本発明の目的を達成するために、本発明は、炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する方法を提供する。本発明における用語‘カプセル化’とは、炭素材料をアルミニウムで被覆することを言う。
本発明の目的は、ボールミル法を用いて機能化した炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する方法を提供することにある。即ち、本発明は、（ｉ）炭素材料に欠陥及び機能化を誘導する段階；（ｉｉ）上記機能化された炭素材料をアルミニウムと混合する段階；及び、（ｉｉｉ）不活性気体雰囲気の下で上記混合物をボールミリングする段階；を含む、炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する方法を提供する。
本発明において、炭素材料には、黒鉛、黒鉛繊維、炭素繊維、炭素ナノ繊維、及び炭素ナノチューブからなる群より選ばれる１種又は２種以上の物質を用いることができる。
現在、入手可能な炭素材料は、直径が０．４ｎｍ乃至１６μｍ、長さが１０ｎｍ乃至１０ｃｍと知られている。即ち、炭素ナノチューブは、現在まで報告された資料（Science292、2462[2001]）から一番小さい直径が０．４ｎｍと知られており、炭素繊維は商用化された製品の直径が最大１６μｍと知られている(Taiwan Carbon Technology Co)。本発明では炭素材料として、多重壁炭素ナノチューブは直径１０乃至２０ｎｍ、長さ１０乃至２０μｍのものを用い、ＮＫ炭素ナノチューブは直径４０乃至６０ｎｍ、長さ２０μｍ前後のものを用いた。炭素繊維(東レ）は直径７乃至８μｍ、長さ５ｍｍのものを用いた。但し、本発明の方法においては、炭素材料の大きさにいかなる制限も受けない。
現在、入手可能な炭素材料は、直径が０．４ｎｍ乃至１６μｍ、長さが１０ｎｍ乃至１０ｃｍと知られている。即ち、炭素ナノチューブは、現在まで報告された資料（Science292、2462[2001]）から一番小さい直径が０．４ｎｍと知られており、炭素繊維は商用化された製品の直径が最大１６μｍと知られている(Taiwan Carbon Technology Co)。本発明では炭素材料として、多重壁炭素ナノチューブは直径１０乃至２０ｎｍ、長さ１０乃至２０μｍのものを用い、ＮＫ炭素ナノチューブは直径４０乃至６０ｎｍ、長さ２０μｍ前後のものを用いた。炭素繊維(東レ）は直径７乃至８μｍ、長さ５ｍｍのものを用いた。但し、本発明の方法においては、炭素材料の大きさにいかなる制限も受けない。
上記（ｉ）段階では、炭素材料の欠陥及び機能化を誘導するために酸処理を行うことができる。酸処理には、硝酸（ＨＮＯ3）、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）、又は硝酸と硫酸の混合物を含む酸を用いることができる。炭素ナノチューブの場合は、ｓｐ2混成結合を成す円筒状の構造を持つ。しかし、この構造は表面がなめらかで他の物質との結合は難しい。従って、複合体に使われる炭素ナノチューブとしては、マトリックスと結合できるように傷のような欠陥を作ったものを用いる。また、機能化とは、結合に対して特定の反応性を有する−ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＣＨＯなどの作用基などを炭素材料に付着させて反応性を高めることである。
上記（ｉ）段階では、炭素材料の欠陥及び機能化を誘導するためにマイクロウェーブ処理を行うことができる。マイクロウェーブ処理には溶媒として、エチレングリコール（ethylene glycol）、硝酸（ＨＮＯ3）、及び硫酸（Ｈ2ＳＯ4）からなる群より選ばれる１種又は２種以上の混合物を用いることができる。マイクロウェーブ処理の時間は１分乃至１０分であり得る。
上記（ｉ）段階では、炭素材料の欠陥及び機能化を誘導するためにプラズマ処理を行うことができる。プラズマ処理には、酸素、アルゴン、及びヘリウムからなる群より選ばれる１種又は２種以上の混合ガスを用いることができる。電力は、５０Ｗ乃至１０００Ｗを使用でき、処理時間は１分乃至１時間であり得る。
上記（ｉ）段階で、炭素材料の欠陥及び機能化を誘導するための方法の例として、酸処理、マイクロウェーブ処理、又はプラズマ処理を挙げているが、これらに限るものではない。
本発明における用語‘機能化’とは、炭素材料に欠陥を形成して官能基又は作用基を付けることを言う。
上記（ｉｉ）段階で、炭素材料とアルミニウムの混合比率は、０．１乃至５０ｗｔ％であり得る。
上記（ｉｉ）段階で、炭素材料とアルミニウムの混合比率は、０．１乃至５０ｗｔ％であり得る。
上記（ｉｉｉ）段階で、上記混合物の不活性気体雰囲気を組成するために不活性気体であるアルゴン、窒素、ヘリウム又はネオンを用いることができる。そして、炭素材料をアルミニウム粉末の中にカプセル化するために、１００ｒｐｍ乃至５０００ｒｐｍで３０分乃至７日間ボールミリングできる。但し、本発明におけるボールミル法は上記ｒｐｍ及び時間に制限されるものではない。
本発明の他の態様として、本発明は、ボールミル法により炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化してアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法を提供する。本発明によるアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法は、（ｉ）炭素材料に欠陥及び機能化を誘導する段階；（ｉｉ）上記機能化された炭素材料をアルミニウムと混合する段階；及び（ｉｉｉ）不活性気体雰囲気の下で上記混合物をボールミリングして炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する段階；を含む。
また、炭素材料の反応性を増加させるために、上述したような酸処理、マイクロウェーブ処理又はプラズマ処理によって、炭素材料に欠陥及び機能化を誘導することができる。ボールミリングする条件及び炭素材料に関する内容は上記の通りである。
本発明のまた他の態様として、本発明の上記方法により製造されたアルミニウム−炭素材料複合体を提供する。本発明の複合体は、厚さが原子単一層である０．３ ｎｍから可能であり、望ましくは、０．３ｎｍ乃至１０ｍｍであり得る。また、上記カプセル化されたアルミニウム−炭素材料複合体は、炭素材料を１個以上含む。
現在の炭素ナノチューブ及び炭素材料複合体の分野で克服すべき問題は、炭素材料を金属基材内に均一に分散させて、これら金属基材と相互作用させることであり、そうしてこそ優れた特性を表すことができる［参考文献：Carbon Nanotube/Aluminium Composites with Uniform Dispersion，Materials Transactions，Vol.45，No.2 (2004) pp.602-604］。炭素材料、特に炭素ナノチューブを金属基材内に均一に分散させるためには、これらの物理的な分子又は原子間の相互作用性質が類似していてこそよく混ざる特性を表す。この例は、しばしば日常生活の中で水と油が分離する現象から観察できるが、その原因はそれらの相互作用を表す尺度である表面張力（Surface tension）が違うためである。水の表面張力は７２ｍＮ／ｍ、油（benzene）のそれは２８．９ｍＮ／ｍと、２倍以上の差がある。炭素ナノチューブとアルミニウムの場合、上述の通り、それらの表面張力は２０倍程度の差がある。従って、アルミニウムの中に炭素材料、特に炭素ナノチューブをカプセル化する場合は、このような問題点を克服できるため、炭素材料がアルミニウム基材の中に分散、滴下する側面から見るとき、効果の向上が期待できる。このような側面は優れた機械的性質と関連付けることができるため、高強度複合体を期待することができる [参考資料：Processing and properties of carbon nanotubes reinforced aluminum composites, Materials Science and Engineering A 444 (2007) 138-45］。
本発明の目的は、ボールミル法を用いて炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する方法を提供することにある。本発明の構成は、（ｉ）炭素材料に欠陥及び機能化を誘導する段階；（ｉｉ）上記機能化された炭素材料をアルミニウムと混合する段階；及び（ｉｉｉ）不活性気体雰囲気の下で上記混合物をボールミリングする段階；を含む、炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する方法を提供する。
本発明の方法によって製造されたアルミニウムカプセル化された炭素材料につき、炭素材料のアルミニウムカプセル化後の色変化の観察、電子顕微鏡写真、ラマン分析、アルミニウムカプセルの除去などを通して、炭素材料がアルミニウムカプセル化されたこと、及び炭素材料の結晶性がそのまま維持されたことを確認した。本発明の方法によって製造された炭素材料−アルミニウム複合体は、重さが軽く、力学的強度に優れているため、現在使われている自動車部品やアルミニウムホイールに適用可能である。
以下、本発明の構成要素及び技術的特徴を次の非制限的実施例を通してより詳しく説明する。しかし、下記の実施例は、本発明を詳しく説明するためだけのものであって、本発明の構成要素の技術的範囲を実施例に例示したものに限定しようとするものではない。本発明に引用された文献は、本発明の明細書に参照として統合される。
実施例
実施例 1：炭素材料のアルミニウム中のカプセル化
本発明に関する具体的な例は、図１に示された実験工程に従う。炭素材料には、多重壁炭素ナノチューブ（ILJIN Nanotech製品、CM95）、ＮＫ炭素ナノチューブ（nanokarbon製品、hellow CNT75)、炭素繊維（東レ製品(日本)、T300）を用いた。多重壁炭素ナノチューブは直径１０〜２０ｎｍ、長さ１０〜２０μｍのものを、ＮＫ炭素ナノチューブは直径４０〜６０ｎｍ、長さ２０μｍのものを用いた。
実施例 1：炭素材料のアルミニウム中のカプセル化
本発明に関する具体的な例は、図１に示された実験工程に従う。炭素材料には、多重壁炭素ナノチューブ（ILJIN Nanotech製品、CM95）、ＮＫ炭素ナノチューブ（nanokarbon製品、hellow CNT75)、炭素繊維（東レ製品(日本)、T300）を用いた。多重壁炭素ナノチューブは直径１０〜２０ｎｍ、長さ１０〜２０μｍのものを、ＮＫ炭素ナノチューブは直径４０〜６０ｎｍ、長さ２０μｍのものを用いた。
１−１．酸処理による炭素材料の機能化誘導
上記炭素ナノチューブは、７０％硝酸（ＨＮＯ3）に１０分乃至３時間、水槽型反応器で超音波反応して機能化を誘導した。ＮＫ炭素ナノチューブは、機能化された製品を購買した。炭素繊維は、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）と硝酸（ＨＮＯ3）を１：１で混ぜたものを２時間超音波反応させて機能化を誘導した。
上記炭素ナノチューブは、７０％硝酸（ＨＮＯ3）に１０分乃至３時間、水槽型反応器で超音波反応して機能化を誘導した。ＮＫ炭素ナノチューブは、機能化された製品を購買した。炭素繊維は、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）と硝酸（ＨＮＯ3）を１：１で混ぜたものを２時間超音波反応させて機能化を誘導した。
１−２．マイクロウェーブ処理による炭素材料の機能化誘導
マイクロウェーブを用いた機能化誘導方法では、エチレングリコール（ethylene glycol）又は硝酸（ＨＮＯ3）を溶媒として、また塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ3）を酸化促進剤として用い、上記溶媒に多重壁炭素ナノチューブを分散した。マイクロウェーブ処理は、電子レンジ（大宇エレクトロニクス、KR-U20AB）を用いて３分間行われた。但し処理時間は１分から６分まで可能である。
マイクロウェーブを用いた機能化誘導方法では、エチレングリコール（ethylene glycol）又は硝酸（ＨＮＯ3）を溶媒として、また塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ3）を酸化促進剤として用い、上記溶媒に多重壁炭素ナノチューブを分散した。マイクロウェーブ処理は、電子レンジ（大宇エレクトロニクス、KR-U20AB）を用いて３分間行われた。但し処理時間は１分から６分まで可能である。
１−３．プラズマ処理による炭素材料の機能化誘導
プラズマ処理では、多重壁炭素ナノチューブに常圧で消費電力５００Ｗを用いてプラズマを形成し、ガス原料として酸素５００ｓｃｃｍ及びヘリウム３００ｓｃｃｍを用いた。プラズマ処理をＡ−ｔｅｃｈ ｓｙｓｔｅｍ製品を用いて５分間行うことにより、欠陥及び機能化を誘導した。
プラズマ処理では、多重壁炭素ナノチューブに常圧で消費電力５００Ｗを用いてプラズマを形成し、ガス原料として酸素５００ｓｃｃｍ及びヘリウム３００ｓｃｃｍを用いた。プラズマ処理をＡ−ｔｅｃｈ ｓｙｓｔｅｍ製品を用いて５分間行うことにより、欠陥及び機能化を誘導した。
１−４．ボールミリングによる炭素材料のアルミニウムの中のカプセル化
アルミニウム粉末１９ｇを用い、炭素材料として多重壁炭素ナノチューブ、ＮＫ炭素ナノチューブ、又は炭素繊維を１ｇ用いた。アルミニウム粒子はＳＡＭＣＨＵＮ化学より購買した製品を使用した。機能化が誘導された上記炭素材料をそれぞれアルミニウム粉末と比率５ｗｔ％でボールミリングにより混合し、鋼鉄からなる金属材質の坩堝（jar）に入れた。ボールは、ジルコニアボール（大韓、DH.ML 1032）で、直径０．５〜１０ｍｍのものを用いることができる。重量比率は、炭素ナノチューブ又は炭素繊維を含むアルミニウム粒子とジルコニアボールとを１：４の比率とした。アルミニウムの酸化を防ぐために、坩堝内をアルゴン（Ａｒ）ガスで充填した。酸素及び水分を十分除去した坩堝を安全に密封した後、５０ｒｐｍ乃至４００ｒｐｍでボールミリングすることができる。ボールミリングは１〜２４時間可能である。
アルミニウム粉末１９ｇを用い、炭素材料として多重壁炭素ナノチューブ、ＮＫ炭素ナノチューブ、又は炭素繊維を１ｇ用いた。アルミニウム粒子はＳＡＭＣＨＵＮ化学より購買した製品を使用した。機能化が誘導された上記炭素材料をそれぞれアルミニウム粉末と比率５ｗｔ％でボールミリングにより混合し、鋼鉄からなる金属材質の坩堝（jar）に入れた。ボールは、ジルコニアボール（大韓、DH.ML 1032）で、直径０．５〜１０ｍｍのものを用いることができる。重量比率は、炭素ナノチューブ又は炭素繊維を含むアルミニウム粒子とジルコニアボールとを１：４の比率とした。アルミニウムの酸化を防ぐために、坩堝内をアルゴン（Ａｒ）ガスで充填した。酸素及び水分を十分除去した坩堝を安全に密封した後、５０ｒｐｍ乃至４００ｒｐｍでボールミリングすることができる。ボールミリングは１〜２４時間可能である。
実施例２：炭素材料のアルミニウムカプセル化後の色変化を観察
アルミニウムで炭素材料をカプセル化する前と後の色変化をデジタルカメラ（ニコン、koolpix-3700）で撮影した。
アルミニウムで炭素材料をカプセル化する前と後の色変化をデジタルカメラ（ニコン、koolpix-3700）で撮影した。
図２の（ａ）は、多重壁炭素ナノチューブのアルミニウムカプセル化前の写真で、アルミニウムで多重壁炭素ナノチューブをカプセル化するための実際の体積を表している。図２の（ｂ）は、多重壁炭素ナノチューブのアルミニウムカプセル化後の写真であるが、実験前の写真である図２の（ａ）と比較すると、多重壁炭素ナノチューブの見かけ色がアルミニウムと同じ銀白色を示しているのが見える。この結果、多重壁炭素ナノチューブは全てアルミニウムカプセル化されたことが予測できる。
図２の（ｃ）は、ＮＫ炭素ナノチューブのアルミニウムカプセル化前の写真である。ＮＫ炭素ナノチューブは、多重壁炭素ナノチューブの一種で、直径が一般の多重壁炭素ナノチューブよりも厚く、表面に多くの官能基を有することが特徴である。見かけ体積は、アルミニウム粉末よりも大きいことが確認できる。
図２の（ｄ）は、ＮＫ炭素ナノチューブのアルミニウムカプセル化後の写真である。上述のように見かけ色を観察した結果、アルミニウムと同じ銀白色を示していることから、アルミニウムカプセル化がなされているのが分かる。
図２の（ｅ）は、炭素繊維のアルミニウムカプセル化前の写真である。炭素繊維の見かけ体積は、ＮＫ炭素ナノチューブと同様にアルミニウム粉末よりも更に大きいことが確認できる。図２の（ｆ）は、炭素繊維のアルミニウムカプセル化後の写真である。光沢のある銀白色を示していることから、全ての炭素繊維がアルミニウムカプセル化されたことが確認できる。
実施例３：炭素材料のアルミニウムカプセル化後の電子顕微鏡写真
図３は、多重壁炭素ナノチューブのアルミニウムカプセル化後の電子顕微鏡(JEOL，JSM7000F) 写真である。図３の（ａ）は、多重壁炭素ナノチューブのアルミニウムカプセル化後の表面を１０,０００ｘで観測した電子顕微鏡写真である。図３の（ｂ）は、（ａ）と同じ部位を３０,０００ｘで観測した電子顕微鏡写真である。図３の（ｃ）は、アルミニウムカプセル化する前の多重壁炭素ナノチューブを３０,０００ｘで観測した電子顕微鏡写真である。同じ倍率の３０，０００ｘでアルミニウムカプセル化する前と後の写真である図３の（ｃ）と（ｂ）を比較したとき、図３の（ｃ）では多重壁炭素ナノチューブが観測されないことが分かる。また、元素分析の結果、図３の（ｂ）で観測した物質がアルミニウムであることから、多重壁炭素ナノチューブはアルミニウムカプセル化されたことが確認できる。
図３は、多重壁炭素ナノチューブのアルミニウムカプセル化後の電子顕微鏡(JEOL，JSM7000F) 写真である。図３の（ａ）は、多重壁炭素ナノチューブのアルミニウムカプセル化後の表面を１０,０００ｘで観測した電子顕微鏡写真である。図３の（ｂ）は、（ａ）と同じ部位を３０,０００ｘで観測した電子顕微鏡写真である。図３の（ｃ）は、アルミニウムカプセル化する前の多重壁炭素ナノチューブを３０,０００ｘで観測した電子顕微鏡写真である。同じ倍率の３０，０００ｘでアルミニウムカプセル化する前と後の写真である図３の（ｃ）と（ｂ）を比較したとき、図３の（ｃ）では多重壁炭素ナノチューブが観測されないことが分かる。また、元素分析の結果、図３の（ｂ）で観測した物質がアルミニウムであることから、多重壁炭素ナノチューブはアルミニウムカプセル化されたことが確認できる。
実施例４：アルミニウムカプセル化後の炭素材料のラマン分析
図４は、アルミニウムカプセル化された炭素材料のラマン分析資料である。ラマン分析により、カプセル化された試片の表面を測定した。ラマン装備は、ＲｅｎｉｓｈａｗのＩｎｖｉａ Ｂａｓｉｃモデルで、６３３ｎｍ Ｈｅ／Ｎｅ ｌａｓｅｒを用いた。図４の（ａ）は、多重壁炭素ナノチューブのアルミニウムカプセル化後のラマンスペクトルである。グラフから多重壁炭素ナノチューブの結晶性を表すＧピークとＤピークが確認できる。この結果は、アルミニウムカプセル化が行われた後も多重壁炭素ナノチューブの結晶性がそのまま残っていることを意味する。図４の（ｂ）と（ｃ）は、それぞれＮＫ炭素ナノチューブと炭素繊維に対するラマン分析結果である。これら結果も同様に炭素材料の結晶性が相変らず存在することを示している。
図４は、アルミニウムカプセル化された炭素材料のラマン分析資料である。ラマン分析により、カプセル化された試片の表面を測定した。ラマン装備は、ＲｅｎｉｓｈａｗのＩｎｖｉａ Ｂａｓｉｃモデルで、６３３ｎｍ Ｈｅ／Ｎｅ ｌａｓｅｒを用いた。図４の（ａ）は、多重壁炭素ナノチューブのアルミニウムカプセル化後のラマンスペクトルである。グラフから多重壁炭素ナノチューブの結晶性を表すＧピークとＤピークが確認できる。この結果は、アルミニウムカプセル化が行われた後も多重壁炭素ナノチューブの結晶性がそのまま残っていることを意味する。図４の（ｂ）と（ｃ）は、それぞれＮＫ炭素ナノチューブと炭素繊維に対するラマン分析結果である。これら結果も同様に炭素材料の結晶性が相変らず存在することを示している。
実施例５：アルミニウムカプセルの除去
図５は、アルミニウムカプセルの除去過程を示した光学写真である。アルミニウムカプセルを１０ｖｏｌ％ ＨＣｌ溶液中に４時間腐食させた。図５の（ａ）は、多重壁炭素ナノチューブを含んでいるアルミニウムカプセルを１０ｖｏｌ％ ＨＣｌに入れた後の光学写真である。図５の（ｂ）は、４時間の腐食過程後の光学写真である。アルミニウムを４時間腐食させた後、溶液の色を観察すると、黒色の混濁溶液が見られる。図６は、アルミニウムカプセルが除去された多重壁炭素ナノチューブを混濁溶液から真空フィルタリングで分離して測定した電子顕微鏡（JEOL, JSM7000F) 写真である。電子顕微鏡写真の分析の結果、多重壁炭素ナノチューブは、その構造が壊れずに長い線の構造を維持しているのが観察できる。この結果は、図４の炭素ナノチューブが損傷を受けずに残っているというラマン分析結果と一致する。
図５は、アルミニウムカプセルの除去過程を示した光学写真である。アルミニウムカプセルを１０ｖｏｌ％ ＨＣｌ溶液中に４時間腐食させた。図５の（ａ）は、多重壁炭素ナノチューブを含んでいるアルミニウムカプセルを１０ｖｏｌ％ ＨＣｌに入れた後の光学写真である。図５の（ｂ）は、４時間の腐食過程後の光学写真である。アルミニウムを４時間腐食させた後、溶液の色を観察すると、黒色の混濁溶液が見られる。図６は、アルミニウムカプセルが除去された多重壁炭素ナノチューブを混濁溶液から真空フィルタリングで分離して測定した電子顕微鏡（JEOL, JSM7000F) 写真である。電子顕微鏡写真の分析の結果、多重壁炭素ナノチューブは、その構造が壊れずに長い線の構造を維持しているのが観察できる。この結果は、図４の炭素ナノチューブが損傷を受けずに残っているというラマン分析結果と一致する。
本発明によって製造された炭素材料−アルミニウム複合体は、重さが軽く、力学的強度に優れているため、現在使われている自動車部品やアルミニウムホイールに適用可能で、乗用車中心のアルミニウムホイール市場を商用車や大型トラックにまで拡大できるであろうと期待される。そればかりか、高強度が求められる航空機、宇宙船、船舶などの素材としても活用が期待される。また、炭素材料−アルミニウム複合体の高熱伝導性により、コンピュータ部品や各種冷却器部品などにも応用可能であろうと予想される。
Claims (10)
- 炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する方法であって、
（ｉ）炭素材料を酸性溶液中で超音波によって処理する段階；
（ｉｉ）上記（ｉ）で得られた炭素材料をアルミニウムと混合する段階；及び
（ｉｉｉ）不活性気体雰囲気の下で上記（ｉｉ）で得られた混合物をボールミリングする段階；を含み、
前記炭素材料としてカーボンナノチューブが用いられ、
前記カーボンナノチューブを機能化するために、前記カーボンナノチューブが硝酸を用いて処理される、方法。 - （ｉｉｉ）段階において、アルミニウムと炭素材料の混合物を１００ｒｐｍ乃至５０００ｒｐｍで、３０分乃至７日間ボールミリングすることを特徴とする、請求項１に記載の炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する方法。
- 上記炭素材料は、直径が０．４ｎｍ乃至１６μｍで、長さが１０ｎｍ乃至１０ｃｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する方法。
- アルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法であって、
（ｉ）炭素材料を酸性溶液中で超音波によって処理する段階；
（ｉｉ）上記（ｉ）で得られた炭素材料をアルミニウムと混合する段階；及び
（ｉｉｉ）不活性気体雰囲気の下で上記（ｉｉ）で得られた混合物をボールミリングして炭素材料をアルミニウムの中にカプセル化する段階；を含み、
前記炭素材料としてカーボンナノチューブが用いられ、
前記カーボンナノチューブを機能化するために、前記カーボンナノチューブが硝酸を用いて処理される、方法。 - （ｉｉｉ）段階において、アルミニウムと炭素材料の混合物を１００ｒｐｍ乃至５０００ｒｐｍで、３０分乃至７日間ボールミリングすることを特徴とする、請求項４に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- 上記炭素材料は、直径が０．４ｎｍ乃至１６μｍで、長さが１０ｎｍ乃至１０ｃｍであることを特徴とする、請求項４又は５に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- カプセル化されたアルミニウム−炭素材料複合体は、厚さが０．３ｎｍ乃至１０ｍｍであることを特徴とする、請求項４又は５に記載のアルミニウム−炭素材料複合体を製造する方法。
- 請求項４又は５に記載の方法により製造されたアルミニウム−炭素材料複合体。
- 上記炭素材料は、直径が０．４ｎｍ乃至１６μｍで、長さが１０ｎｍ乃至１０ｃｍであることを特徴とする、請求項８に記載のアルミニウム−炭素材料複合体。
- カプセル化されたアルミニウム−炭素材料複合体は、厚さが０．３ｎｍ乃至１０ｍｍであることを特徴とする、請求項８に記載のアルミニウム−炭素材料複合体。
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