JP5375197B2 - オニオンライクカーボンの作製方法 - Google Patents
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Description
オニオンライクカーボンの作製は、爆発法による均質なダイヤモンドナノ粒子が供給されるようになったことから、現在のところ、ダイヤモンドナノ粒子の熱アニールによるオニオンライクカーボンの合成が主流となっている。
すなわち、本発明の第1の観点のオニオンライクカーボンの作製方法は、真空度が10 −7 Pa以上に保持された超高真空反応室内で、カーボンロッドをカソードに用いたアークプラズマガンによりカーボンを蒸発させターゲットに蒸着させ、アークプラズマガンによる放電パルス数を、オニオンライクカーボンの粒径制御パラメータとして用い、放電パルス数を増減してオニオンライクカーボンの粒径を制御して作製するものである。
かかる方法によれば、薄膜化や分散化に優れたオニオンライクカーボンを作製することができる。
実施例1では、アークプラズマガンによりオニオンライクカーボンを合成し、オニオンライクカーボン薄膜を作製する方法について説明する。オニオンライクカーボンの作製方法は、10−7Pa以上の真空度に保持された反応室内で、アークプラズマ発生手段としてアークプラズマガンを用いてカーボンイオンをターゲットに照射させ、オニオンライクカーボンを合成するものである。
アークプラズマガンのカソードとしてカーボンロッドを搭載し、高純度のカーボンイオンを照射した。また、オニオンライクカーボンの合成は、放電電圧、放電パルス数、真空度をパラメータとした。なお、アークプラズマガンは、株式会社アルバック社製(型式:APG−100)を用いた。
図1に示される反応室10は、図示しないターボ分子ポンプ(TMP)を用いて、10−7 Pa以上の超高真空を保つ反応室であり、ターゲット11をクリーニングするためのスパッタイオンガン14と、オニオンライクカーボンをターゲット11に蒸着させるためのアークプラズマガン13を備えている。反応室10の配管(16,17)は、ターボ分子ポンプ(TMP)に接続されている。
また、ターゲット11は、グラファイトを用いた。
観察用試料として、コロジオン支持膜付きグリッドメッシュを用い、アークプラズマガンによるターゲットへの照射後、直ちに透過型電子顕微鏡による観察を行った。
また、図2の右下の矢印Aに示すように、制限視野電子回折パターンより明瞭なグラファイト構造由来の回折リングが観察された。
本作製方法により得られたオニオンライクカーボン薄膜を評価するため、高配向燒結グラファイト基板(HOPG)上へ、アークプラズマガンの放電電圧が100V、放電パルス数100ショット、真空度10−7Paの条件下で、カーボン照射を行った。図4は、走査型トンネル顕微鏡(STM)観察結果を示している。
領域Aの高倍率観察した結果の図4(d)および領域Bの高倍率観察した結果の図4(e)から、直径10nm程度のドメインの形成が確認できた。また、透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、オニオンライクカーボンの粒径に近い値が得られた。
一方、領域Aにおける高い平坦性はアモルファイス状カーボンの局所的な形成によるものと考えられ、形成粒子との混合状態にあると推察している。
図5の摩擦力測定結果から、本作製方法により得られたオニオンライクカーボン薄膜は、荷重範囲0−70nNにおいて、HOPGに比べ低摩擦を示すことが確認された。なお、最大荷重70nNにおいて、ヘルツ接触圧力は500MPa程度であり、HOPG及び本作製方法により合成したオニオンライクカーボン薄膜において、AFMにより検出される摩耗は観察されていない。
本発明の作製方法で得られたオニオンライクカーボンを添加した潤滑油と、同じ炭素ナノ材料として構造の近いフラーレンC60を添加した潤滑油、グラフェンシートを円筒状に丸めた構造のカーボンナノチューブを添加した潤滑油、サイズ大きいものの結晶性が優れており固体潤滑材として利用されているキッシュグラファイトを添加した潤滑油を比較して、潤滑特性の効果を確認した。
図6において、横軸は添加量(%)であり、縦軸が摩擦係数である。図6から、各接触圧力下での摩擦試験において、オニオンライクカーボンの添加量が0.1重量%の場合に摩擦係数が最小の値を示している。したがって、以下の測定において、各種ナノカーボンの添加量は0.1重量%とすることにした。
図7は、粘度の異なる3種類のポリアルファオレフェイン(PAO2、PAO30、PAO400)への各種ナノカーボン添加時の摩擦係数を示したグラフである。図7において、横軸は接触圧力(GPa)であり、縦軸が摩擦係数である。図7の(a)〜(c)に示されるように、各粘度、圧力において、オニオンライクカーボンを添加した際の摩擦係数は、一部の例外を除き最も低くなっている。
以上から、各種ナノカーボンを添加した潤滑油において、オニオンライクカーボンが最も低い摩擦係数を示し、摩擦低減効果において最も優れた特性を有することが理解できよう。
図9に、オニオンライクカーボンを添加したポリアルファオレフェイン(PAO30)における荷重の連続変化時の摩擦係数変化を示す。図9において、横軸は荷重(N)であり、縦軸が摩擦係数である。図9では、高荷重付与後の低荷重摩擦試験において摩擦係数の低下が観察されている。
実施例3のオニオンライクカーボンの作製装置を図10に示す。実施例3のオニオンライクカーボンの作製方法は、第1の基板21と所定距離隔てて第1の基板21に対向して第2の基板22を設け、ダイヤモンドナノ粒子を有機溶媒に分散させた溶液を第1の基板21に塗布し、第1の基板21をダイヤモンドの融点以下の所定温度に過熱し、表面に生成したオニオンライクカーボンを昇華させ、第2の基板22にオニオンライクカーボンを蒸着させることにより、オニオンライクカーボン、特に、2次元的な単分散のオニオンライクカーボン薄膜24を作製できるものである。
10 反応室
11 ターゲット基板
12 ヒーター
13 アークプラズマガン
14 スパッタイオンガン
15 マニュピュレータ
16,17 配管
21 第1の基板(タンタル板)
22 第2の基板(HOPG基板)
23 ダイヤモンドナノ粒子の分散溶液
24 オニオンライクカーボン膜
25,26 電極
28 放射温度計
Claims (3)
- 真空度が10 −7 Pa以上に保持された超高真空反応室内で、カーボンロッドをカソードに用いたアークプラズマガンによりカーボンを蒸発させターゲットに蒸着させ、
アークプラズマガンによる放電パルス数を、オニオンライクカーボンの粒径制御パラメータとして用い、放電パルス数を増減してオニオンライクカーボンの粒径を制御して作製することを特徴とするオニオンライクカーボンの作製方法。 - 請求項1のオニオンライクカーボンの作製方法により得られたオニオンライクカーボンを添加した潤滑油。
- 請求項1のオニオンライクカーボンの作製方法により得られたオニオンライクカーボン薄膜。
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