JP5927522B2 - Carbon material structural material manufacturing method and carbon material structural material - Google Patents
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- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
- C04B41/81—Coating or impregnation
- C04B41/89—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions
- C04B41/90—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions at least one coating being a metal
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
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Description
本発明は、炭素材料構造材の製造方法および炭素材料構造材に関する。 The present invention relates to a method for producing a carbon material structure and a carbon material structure.
炭素材料は、sp3混成軌道を持つ炭素で構成されるダイヤモンド、sp2混成軌道を持つ炭素で構成されるグラファイト(もしくは黒鉛)、sp混成軌道を持つ炭素で構成されるカルビン(またはポリイン)などの同素体とその複合系から構成される極めて多様な材料である。 Carbon materials include diamond composed of carbon having sp 3 hybrid orbitals, graphite (or graphite) composed of carbon having sp 2 hybrid orbitals, carbine (or polyin) composed of carbon having sp hybrid orbitals, etc. It is an extremely diverse material composed of allotropes and their composites.
さらに、近年では、sp2炭素系のフラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェンが新規炭素材料として名を連ねている。 Furthermore, in recent years, sp 2 carbon-based fullerenes, carbon nanotubes, and graphene have been named as new carbon materials.
これらの炭素材料の中で、産業上、比較的古くから用いられ、最も大規模で広範な用途を持つのは、ガラス状炭素、炭素繊維、炭素繊維強化炭素材料(Carbon-Fiber-Reinforced Carbon Materials、以下、CC材と称す)などの主にsp2系炭素材料である。 Among these carbon materials, the ones that have been used for a relatively long time in the industry and have the largest and widest range of applications are glassy carbon, carbon fiber, and carbon-fiber-reinforced carbon materials (Carbon-Fiber-Reinforced Carbon Materials). , hereinafter referred to as CC material) it is primarily sp 2 carbon material, such as.
これらsp2系炭素材料は、比重が通常金属より小さいため軽く、モース硬度は7と比較的高いことからかなりの硬度を持ち、化学的に安定で、生体に不活性、熱に強く約1000℃を越える高温まで実用的な強度を保ち、繰り返しの使用に耐えるという特長を持つため、釣竿、テニスやバトミントンのラケットなどスポーツ・レジャー用品、各種工業機器やX線関連の医療機器の部材、土木建築や航空宇宙分野の構造材、電機産業における電極などの電子部品、さらには、小惑星探査機、静止衛星に使用されるイオンエンジンの電極のような構造材に幅広く用いられている。 These sp 2 -based carbon materials are light because the specific gravity is usually smaller than that of metals, and have a relatively high Mohs hardness of 7, so that they have a considerable hardness, are chemically stable, are inert to living organisms, and are resistant to heat at about 1000 ° C. Because it has the features of maintaining practical strength up to high temperatures exceeding the temperature and withstanding repeated use, sports and leisure equipment such as fishing rods, tennis and badminton rackets, members of various industrial equipment and medical equipment related to X-rays, civil engineering architecture It is widely used for structural materials such as structural materials in the field of aerospace, electronic parts such as electrodes in the electrical industry, and electrodes of ion engines used in asteroid explorers and geostationary satellites.
しかしながら、sp2系炭素材料は、製法上の制約のため、グラファイト化が本質的に不完全である。それらの表面は数ナノメートルから数マイクロメートルの多数の結晶粒界で覆われ、また1つ1つの結晶は原子欠損などの多数の欠陥構造を有する。これらの結晶粒界や欠陥構造は、空気摩擦やスパッタリングなどの物理的侵食や、酸化などの化学的腐食の起点となり得る。そのため、完全結晶のグラファイト表面と比較して、多数の結晶粒界や欠陥構造が存在するsp2系炭素材料の表面は耐摩耗性、耐酸化性に著しく劣るという問題がある。また、sp2系炭素材料の表面の構造的不完全性に起因して、sp2系炭素材料のガスバリア性能が限定的とならざるを得ないという問題点もある。さらに、上記の問題点に起因して、sp2系炭素材料から構成される製品を過酷な条件で使用する場合、それらの寿命が必要とされるよりも短いという問題点が指摘されている。 However, sp 2 -based carbon materials are essentially incompletely graphitized due to manufacturing limitations. Their surfaces are covered with a large number of grain boundaries of several nanometers to several micrometers, and each crystal has a large number of defect structures such as atomic defects. These grain boundaries and defect structures can be the starting point for physical erosion such as air friction and sputtering, and chemical corrosion such as oxidation. For this reason, the surface of the sp 2 -based carbon material having a large number of grain boundaries and defect structures is significantly inferior in wear resistance and oxidation resistance as compared with a completely crystalline graphite surface. Further, there is due to structural imperfections of the surface of the sp 2 carbon material, a problem that the gas barrier performance of the sp 2 carbon material is inevitably limited and. Furthermore, due to the above problems, it has been pointed out that when products made of sp 2 carbon materials are used under severe conditions, their lifetime is shorter than required.
近年の技術の発展に伴い、上記問題点を軽減する目的で、sp2系炭素材料の表面を被膜する方法がいくつか実用化されている。例えば、表面処理した炭化ケイ素(SiC)層でコーティングする技術が特許文献1に開示されている(特許文献1)。また、CVD(Chemical Vapor Deposition、化学気相蒸着)法により、sp2系炭素材料の表面にグラファイト被覆を施す技術も開示されている。例えば、CC材から作製される、るつぼの表面を熱分解炭素で強化するコーティング技術が特許文献2に開示される他(特許文献2)、特許文献3にはsp2系炭素材料のガスバリア性向上のための熱CVD由来の炭素によるコーティング技術が開示されている(特許文献3)。
With the development of technology in recent years, several methods for coating the surface of the sp 2 -based carbon material have been put into practical use for the purpose of reducing the above problems. For example,
しかしながら、上記した特許文献1〜3に開示されたコーティング技術には以下に示すような問題があった。
However, the coating techniques disclosed in
まず、特許文献1に開示されるSiC層によるsp2系炭素材料のコーティングにおいては、コーティングにより導電性が消失するという問題があった。これは、SiCがワイドギャップ半導体であり、電気的に半絶縁性であることに起因する。そのため、sp2系炭素材料を電極として利用する際にはSiC層によるコーティングは採用できなかった。
First, the coating of the sp 2 -based carbon material with the SiC layer disclosed in
次に、特許文献2においては、sp2系炭素材料表面への熱分解炭素によるコーティングに、メタンガスを原料として、最低でも50時間という長時間、成長温度が1800℃という高温条件下でのCVD処理が必要である。そのため、この技術は装置コストや材料コストが嵩むという問題点を生じさせ、省資源・省エネルギーの観点から問題が多い。また、炭化水素が原料のCVD法では、銅やニッケルなどの金属触媒がないとグラファイト化が進行しないことが一般的に知られている。すなわち、特許文献2に開示される熱分解炭素被膜は材料的には結晶性のグラファイトではなく、アモルファス炭素である。従って、このコーティング技術では耐摩耗性、耐酸化性を期待することは出来ない。
Next, in
最後に、特許文献3においては、コーティングのために、1200℃以上という高温、原料として炭化水素ガス、キャリアーガスとして水素ガス、さらに塩化水素ガスを流入させるという過酷な条件でのCVDが必要とされる。また、コーティング層の最終的なグラファイト化には2000〜3000℃の高温が必要とされる。従って、特許文献2における問題点と同様、この技術は装置コストや材料コストが嵩むという問題点を生じさ、省資源・省エネルギーの観点から問題が多い。さらに、水素や塩化水素など危険ガスの使用は健康面、環境面への悪影響が懸念される。
Finally, in
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、量産性があり、高品質であると同時に、製造コストが低い、炭素材料構造材の製造方法を提供することである。 This invention is made | formed in view of the said subject, The objective is to provide the manufacturing method of a carbon material structural material with low manufacturing cost while it is mass-productivity and high quality.
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、(a)炭素材料を含む炭素材料母材に液体の金属を接触させ、前記金属を加熱することで前記金属中に前記炭素材料母材中の炭素を溶解させ、(b)液体の前記金属を冷却することで液体の前記金属中の前記炭素を前記炭素材料母材の表面に析出させ、前記炭素材料母材の表面をコーティングする、炭素材料構造材の製造方法である。 In order to solve the above-described problem, the first aspect of the present invention is as follows. (A) A carbon material matrix containing a carbon material is brought into contact with a liquid metal, and the metal is heated to heat the metal material. Carbon in the material is dissolved, and (b) the liquid metal is cooled to precipitate the carbon in the liquid metal on the surface of the carbon material base material, thereby coating the surface of the carbon material base material. This is a method for producing a carbon material structural material.
本発明の第2の態様は、第1の態様に記載の炭素材料構造材の製造方法を用いて製造された炭素材料構造材である。 The second aspect of the present invention is a carbon material structural material manufactured using the method for manufacturing a carbon material structural material according to the first aspect.
本発明によれば、量産性があり、高品質であると同時に、製造コストが低い、炭素材料構造材の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a carbon material structural material that is mass-productive, has high quality, and at the same time has low production costs.
以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings.
まず、本実施形態に係る炭素材料構造材9の製造方法の概略について、図1を参照して説明する。
First, the outline of the manufacturing method of the carbon material
なお、ここで言う「炭素材料構造材」とは、炭素を含有する構造材のことであり、「構造材」とは、耐酸化性、耐薬品性、耐熱性、耐衝撃性、耐摩耗性、耐スパッタリング性等の化学的・機械的特性が要求される材料を言う。 The “carbon material structural material” here means a carbon-containing structural material, and the “structural material” means oxidation resistance, chemical resistance, heat resistance, impact resistance, and wear resistance. A material that requires chemical and mechanical properties such as sputtering resistance.
最初に、図1(a)に示すように、炭素3を含む炭素材料1(炭素材料母材5)の表面に、(液体の)金属2を配置する。
First, as shown in FIG. 1A, a (liquid)
ここで、炭素材料1は炭素3以外の元素を含んでもよく、また、炭素3のみで構成されていてもよい。なお、炭素3はsp混成軌道を有するカルビン(ポリイン)型、sp2混成軌道を有するグラファイト型、またはsp3混成軌道を有するダイヤモンド型であり、カルビン型、グラファイト型、または、ダイヤモンド型がそれぞれ複合していてもよい。
Here, the
次に、金属2を配置した炭素材料1を加熱する。すると、図1(b)に示すように、炭素材料1の表層から炭素3が金属2に溶解し出す。適当な時間、適当な温度で加熱すると、最終的に、図1(c)に示すように、コーティングに必要な量の炭素3が金属2に溶解する。すなわち、金属2は液体状態で炭素3を溶解するためのフラックスとして働く。
Next, the
ここで、金属2としては、高温でも炭素溶解度が著しく低い炭素難溶金属を用いる。一般に、炭素難溶金属の炭素溶解度は知られていないが、経験上、800℃の温度で、0.1〜10ppmの範囲と推定している。低炭素溶解度の金属を用いる理由は、炭素材料1の表層をコーティングに必要量以上に削らないためである。これにより、コーティングを施しても炭素材料1の元の形状を保つことが可能となる。
Here, as the
次に、炭素3が溶解した金属2を固化しない程度に冷却する。すると、図1(d)に示すように、金属2中の炭素溶解度が減少し、過飽和状態となるため、炭素3は炭素材料1の表層に析出し始める。適当な時間が経過すると、図1(e)に示すように、最終的に、金属2に溶解していた炭素3の全量がグラフェンまたはグラファイトとして炭素材料1の表面に結晶化し、炭素材料1がグラフェン膜またはグラファイト膜4でコーティングされ、炭素材料構造材9が完成する。
Next, it cools to such an extent that the
ここで、上記のグラフェン膜またはグラファイト膜4の形成に関し、冷却時、金属2中の炭素3が、緻密な2次元の結晶構造を持つグラフェンまたはグラファイトとして析出し、無定形のアモルファス炭素として析出しないのは、フラックスである金属2が液体状態でグラフェン形成の触媒として働くという効果のためである。
Here, regarding the formation of the graphene film or the
また、グラフェン膜またはグラファイト膜4は炭素材料1の表層にある欠陥や結晶粒界を起点として成長するため、炭素材料1の表層とグラフェン膜またはグラファイト膜4の界面は、無数の共有結合を介して強固に連結している。さらに、炭素材料1とグラフェン膜またはグラファイト膜4の熱膨張係数はほぼ同じである。
In addition, since the graphene film or the
そのため、激しい温度の昇降や物理的な衝撃があっても、炭素材料1からグラフェン膜またはグラファイト膜4が剥離したり、ひび割れたりすることはなく、本発明によるコーティングは高度の耐熱性、対衝撃性を有することになる。また、グラフェン膜またはグラファイト膜4は無欠陥性であるため、本発明によるコーティングは酸化耐性などの化学反応に対する耐性もある。
Therefore, the graphene film or the
なお、図1(d)の冷却時に、炭素材料1が含有する可能性のある、その他の元素は通常析出しない。これは、その他の元素が金属元素である場合、金属2に対する溶解度が室温でも数%から数十%のレベルであるため、過飽和とならないためである。また、その他の元素が水素、酸素、窒素などの軽元素の場合、金属2に対する溶解度が高いということに加え、加熱溶解後、一部が気体となって金属2より放出されるためである。これらにより、コーティングするグラフェン膜またはグラファイト膜4は不純物フリーで高純度となる効果も生まれる。
In addition, the other element which the
以上をまとめると以下のようになる。すなわち、炭素材料1の表層にあり、欠陥や不純物を含有し、多様な結合様式を持つ炭素3を、加熱により、金属2に一旦溶解し、冷却により、炭素材料1の元の表層に、欠陥や不純物を含まない、緻密で結晶性のグラフェン膜またはグラファイト膜として再構成することが本発明の骨子である。この方法は液相成長法の一種であり、気相成長法の一種であるCVD法より、製造コストが低く、高品質のコーティングが可能である。
The above is summarized as follows. That is, the
以上が、本実施形態に係る炭素材料構造材9の製造方法の概略である。
The above is the outline of the method for manufacturing the carbon material
次に、図2を参照して炭素材料構造材9の製造方法をより具体的に説明する。
Next, the manufacturing method of the carbon material
第1に、図2(a)に示すように、コーティング対象の炭素材料1を含み、所望の形状に成形された炭素材料母材5を用意する。
First, as shown in FIG. 2A, a carbon
ここで、炭素材料母材5は表面研磨されていることが望ましい。この処理は炭素材料母材5と、液体状態となった金属2の密着性を高めるためである。研磨後の表面粗さは、コーティング層の膜厚、すなわち、グラフェン膜またはグラファイト膜4の膜厚と同じぐらいが適当である。ただし、炭素材料母材5の表面の凹凸の高低差が1μm以内であれば、研磨は特に必要ない。
Here, the carbon
第2に、図2(b)に示すように、炭素材料母材5を液体状態にある金属2で満たした容器7に浸漬し、適当な時間、適当な温度の加熱により、炭素材料母材5の表層の炭素を金属2に溶解させる。容器7に蓋6を被せると加熱時の金属2の蒸散を防ぐことが出来る。なお、コーティング層の膜厚を大きくする目的で、金属2に炭素含有原料8を添加してもよい。
Second, as shown in FIG. 2B, the carbon
前述の通り、金属2は炭素3を融解させるフラックスとしての役割があり、炭素溶解度がppmレベルの炭素難溶金属を用いる。
As described above, the
このような金属としては、例えばガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、水銀(Hg)、タリウム(Tl)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)の群から選ばれる少なくとも1つを用いることが出来る。 Examples of such metals include gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), aluminum (Al), zinc (Zn), cadmium (Cd), mercury (Hg), thallium (Tl), lead ( At least one selected from the group of Pb) and bismuth (Bi) can be used.
ただし、環境や人体への影響を考慮に入れると、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)の単体、もしくはそれらの合金の使用が望ましい。この中で、ガリウムは液体状態の温度範囲が29.8〜2403℃と単体元素中で最も広く、高温となっても蒸気圧がかなり低い(例えば、800℃で10−3Pa)という特徴を有する。これらの特徴はフラックスとして働く温度範囲が非常に広く、加熱時に蒸発による消失が非常に少ないということを意味するので、ガリウムおよびその合金は金属2の材料として特に望ましい。
However, if the influence on the environment and human body is taken into consideration, gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), aluminum (Al), zinc (Zn), bismuth (Bi), or an alloy thereof Is desirable. Among them, gallium has the characteristics that the temperature range in the liquid state is 29.8 to 2403 ° C., which is the widest among the single elements, and the vapor pressure is considerably low even at high temperatures (for example, 10 −3 Pa at 800 ° C.). Have. These features mean that the temperature range acting as a flux is very wide and that the loss due to evaporation during heating is very low, so gallium and its alloys are particularly desirable as the
なお、炭素材料母材5を金属2に浸漬する工程において、金属2は室温付近で液体であるものが扱い易い。例えば、室温付近で液体である金属としては、ガリウム・インジウム合金(融点:15.7℃程度)、ガリウム・インジウム・スズ合金(融点:19℃)、ガリウム・アルミニウム合金(融点:26.5℃)、ガリウム(融点:29.8℃)、ビスマス・鉛・スズ・カドミウム・インジウム合金(融点:46.7℃程度)などが挙げられる。ただし、適当な加熱のもとで浸漬工程を扱う場合は、必ずしも室温付近の融点を持つ金属を用いる必要はない。
In the step of immersing the carbon
炭素含有原料8としては、基本的に炭素を含む材料ならば何でも良い。例えば、アモルファス炭素、ガラス状炭素、結晶性グラファイト、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、フラーレン、ダイヤモンド、ナノダイヤモンドなどの炭素同素体、メタロセン、ナフタレン、アントラセン、ペンタセンなどの低分子有機化合物、テフロン(登録商標)、PMMA(ポリメタクリル酸メチル)、ポリエチレンなどの人工高分子有機化合物、タンパク質、核酸、脂脂質、多糖類などの天然高分子有機化合物、炭化ケイ素(SiC)、炭化ホウ素(B4C)、炭化アルミニウム(Al4C3)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)。炭化ハフニウム(HfC)、炭化バナジウム(VC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化クロム(CrC)、炭化モリブデン(MoC)、炭化タングステン(WC)、窒化炭素(C3N4)、窒化炭素ホウ素(BCN)などの炭素を含む無機化合物からなる群から選ばれる少なくとも1つを有するものから選択可能である。ただし、炭素含有率が20%以上のものが望ましく、さらに、ほぼ炭素のみで構成される上記炭素同素体がより望ましい。 As the carbon-containing raw material 8, any material that basically contains carbon may be used. Examples include carbon allotropes such as amorphous carbon, glassy carbon, crystalline graphite, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, fullerenes, diamonds, nanodiamonds, low molecular organic compounds such as metallocenes, naphthalenes, anthracenes, pentacenes, Teflon (registered) Trademarks), PMMA (polymethyl methacrylate), artificial high molecular organic compounds such as polyethylene, natural high molecular organic compounds such as proteins, nucleic acids, fat lipids, polysaccharides, silicon carbide (SiC), boron carbide (B 4 C) Aluminum carbide (Al 4 C 3 ), titanium carbide (TiC), zirconium carbide (ZrC). Hafnium carbide (HfC), vanadium carbide (VC), niobium carbide (NbC), tantalum carbide (TaC), chromium carbide (CrC), molybdenum carbide (MoC), tungsten carbide (WC), carbon nitride (C 3 N 4 ) And having at least one selected from the group consisting of inorganic compounds containing carbon such as carbon boron nitride (BCN). However, those having a carbon content of 20% or more are desirable, and the above-mentioned carbon allotrope composed only of carbon is more desirable.
加熱する方法としては、電気炉などの熱輻射による加熱、レーザー、高周波、マイクロ波暴露による電磁波加熱が挙げられる。加熱温度は900〜1700℃、加熱時間は30分〜3時間が適当である。 Examples of the heating method include heating by heat radiation of an electric furnace or the like, laser heating, high frequency, electromagnetic wave heating by microwave exposure. The heating temperature is suitably 900 to 1700 ° C., and the heating time is suitably 30 minutes to 3 hours.
コーティング層であるグラフェン膜またはグラファイト膜4は加熱温度が高いほど厚くなる。概ね、1000℃以下では層数が1層から10層程度であるグラフェン膜、1000℃を越えるとそれ以上の層数を持つグラファイト膜となる。詳細に述べると、例えば、加熱温度が900℃で0.5nm程度、1100℃で10nm程度、1300℃で100nm程度、1500℃で700nm程度、1700℃で5μm程度である。すなわち、加熱温度により、コーティング層の膜厚を制御できることを意味する。また、実施例で述べるように、温度プロファイルに変化を付けることにより、コーティング層の膜厚を制御することも可能である。
The graphene film or the
一般に、炭素材料の耐熱性、耐衝撃性、耐薬品性、耐酸化性を向上させる目的においては、炭素材料を覆うコーティング層の膜厚は大きい方がよい。つまり、極薄のグラフェン膜より厚膜のグラファイト膜の方が上記性能に富むため、コーティング層としてグラファイト膜を形成することが望ましい。従って、加熱温度は1000℃以上がよく、1200℃以上がより望ましい。ただし、炭素材料表面にグラフェン膜をコーティングすることで、バルクのグラファイトにはないグラフェン特有の物性を発現させる場合はこの限りではない。 In general, for the purpose of improving the heat resistance, impact resistance, chemical resistance, and oxidation resistance of a carbon material, it is better that the coating layer covering the carbon material has a larger film thickness. That is, it is desirable to form a graphite film as a coating layer because a thick graphite film has higher performance than an ultrathin graphene film. Accordingly, the heating temperature is preferably 1000 ° C. or higher, and more preferably 1200 ° C. or higher. However, this is not the case when the graphene film is coated on the surface of the carbon material so that the physical properties peculiar to graphene that are not found in bulk graphite are expressed.
なお、容器7と蓋6の材質は耐熱性のある材料を使用する。例えば、石英(SiO2)、アルミナやサファイア(Al2O3)などの酸化物、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)などの窒化物、炭化ケイ素(SiC)、炭化タングステン(WC)などの炭化物、その他、ガラス状炭素、マイカなどである。1500℃以上の加熱を行う場合は、アルミナやサファイア、窒化ホウ素、ガラス状炭素が望ましい。
The material of the container 7 and the
第3に、図2(c)に示すように、金属2が固化しない程度に冷却することで、炭素材料母材5の表面に金属2に溶解した炭素をグラフェン膜またはグラファイト膜4として結晶化させる。
Third, as shown in FIG. 2 (c), the carbon dissolved in the
冷却する速度は100℃/分以内が適当である。なお、グラフェン膜またはグラファイト膜4の膜質向上のためには、さらに小さな冷却速度が望ましい。
The cooling rate is suitably within 100 ° C./min. In order to improve the film quality of the graphene film or the
第4に、グラフェン膜またはグラファイト膜4でコーティングされた炭素材料母材5を液体状態にある金属2から取り出し、表面に残った金属2を酸・アルカリなどを用いて洗浄することにより、図2(d)に示されるように、最終的にグラフェン膜またはグラファイト膜4で炭素材料母材5がコーティングされた炭素材料構造材9を得る。
Fourth, the carbon
炭素材料母材5を金属2の残渣を溶解する酸としては、塩酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)などを用いることが可能である。金属2がガリウムやアルミニウムのような両性金属の場合は、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化テトラメチルアンモニウムの水溶液を用いることも可能である。洗浄は適当な加温のもと、洗浄液に炭素材料母材5全体を浸漬すると、洗浄効果が高い。
As an acid for dissolving the residue of the
なお、コーティング使用後の金属2はフラックスとして再利用可能である。特に、レアメタルであるガリウム(Ga)を利用する場合、フラックスの再生は製造コストを顕著に低下させる効果がある。
In addition, the
このように、本実施形態によれば、炭素材料構造材9は、炭素材料1を含む炭素材料母材5に液体の金属2を接触させ、金属2を加熱することで金属中に前記炭素材料中の炭素3を溶解させ、液体の金属2を冷却することで液体の金属2中の炭素3を炭素材料母材5の表面に析出させ、炭素材料母材5の表面をコーティングすることにより製造される。
Thus, according to the present embodiment, the carbon material
そのため、炭素材料1(炭素材料母材5)の元の表層に、欠陥や不純物を含まない、緻密で結晶性の膜厚が制御されたグラフェン膜またはグラファイト膜として再構成することができる。 Therefore, the original surface layer of the carbon material 1 (the carbon material base material 5) can be reconfigured as a graphene film or a graphite film that does not contain defects and impurities and has a dense and crystalline film thickness controlled.
また、この方法は液相成長法の一種であるため、気相成長法の一種であるCVD法より、製造コストが低く、省エネルギー、低環境負荷で高品質のコーティングが可能である。 Further, since this method is a kind of liquid phase growth method, the manufacturing cost is lower than that of the CVD method which is a kind of vapor phase growth method, and high quality coating is possible with energy saving and low environmental load.
以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, based on an Example, this invention is demonstrated in detail.
(実施例1)
まず、図1または図2に示す製造法に基づき、CC材基板の表面にグラフェン膜またはグラファイト膜によるコーティングを行った。CC材は15×15×1mmの大きさで、コーティング前に表面の凹凸の高低差が100nm程度になるまで研磨した。次いで、CC材研磨表面に中央の半径12mmの範囲内にガリウムを配置し、排気した電気炉内で1300℃、1時間加熱した後、5℃/分の速度で冷却した。表面のガリウム残渣は80度に加温した塩酸中で溶解させた。
Example 1
First, based on the manufacturing method shown in FIG. 1 or FIG. 2, the surface of the CC material substrate was coated with a graphene film or a graphite film. The CC material was 15 × 15 × 1 mm in size, and was polished before coating until the level difference of surface irregularities was about 100 nm. Next, gallium was disposed on the polished surface of the CC material within a central radius of 12 mm, heated in an exhausted electric furnace at 1300 ° C. for 1 hour, and then cooled at a rate of 5 ° C./min. The gallium residue on the surface was dissolved in hydrochloric acid heated to 80 degrees.
結果は以下の通りで、図3(a)はコーティング前、図3(b)はコーティング後のCC材の写真である。図3が示すように、加熱・冷却時にガリウムと接触した部分のみが黒色から銀白色に変化した。この変化は本発明による方法でグラフェン膜またはグラファイト膜が形成されたことを示唆する。 The results are as follows. FIG. 3 (a) is a photograph of the CC material before coating, and FIG. 3 (b) is a photograph of the CC material after coating. As shown in FIG. 3, only the portion in contact with gallium during heating / cooling changed from black to silver white. This change suggests that a graphene film or a graphite film was formed by the method according to the present invention.
次に、コーティングを施した部分の詳細を調べるため、光学顕微鏡観察を行った。図4(a)はコーティング前、図4(b)はコーティング後のCC材表面の光学顕微鏡像である。コーティング前の図4(a)では、炭素繊維がマトリックスの炭素材料中に分散している様子が明瞭に観察されたのに対し、コーティング後の図4(b)では、CC材表面全体がグラフェン膜またはグラファイト膜で被覆されていることが観察された。 Next, in order to investigate the details of the coated part, observation with an optical microscope was performed. FIG. 4A is an optical microscope image of the surface of the CC material before coating, and FIG. 4B is a surface of the CC material after coating. In FIG. 4 (a) before coating, it was clearly observed that the carbon fibers were dispersed in the carbon material of the matrix, whereas in FIG. 4 (b) after coating, the entire CC material surface was graphene. It was observed that it was coated with a film or a graphite film.
さらに、コーティング前後の炭素材料の質的変化を顕微ラマン分光法で分析した。図5(a)はコーティング前、図5(b)はコーティング後のCC材表面のラマンスペクトルである。コーティング前の図5(a)では、ブロードで相対強度の大きいDバンド、ブロードなGバンド、相対強度が著しく小さい2Dバンドが観測された。これらの特徴は炭素材質がアモルファス炭素的であることを意味する。これに対し、コーティング後の図5(b)では、Dバンドは観測されず、鋭く相対強度の大きいGバンド、低波数側にショルダーを持つ2Dバンドが観測された。これらの特徴は無欠陥の結晶性グラファイトに特有のものである。
Furthermore, the qualitative change of the carbon material before and after coating was analyzed by micro Raman spectroscopy. 5 (a) is prior to coating, FIG. 5 (b) Ru Raman spectra der of CC material surface after coating. In co Computing front of FIG. 5 (a), a large D band relative intensity, broad G band, the relative intensities are significantly smaller 2D bands were observed broad. These characteristics mean that the carbon material is amorphous carbon-like. On the other hand, in FIG. 5B after coating, the D band was not observed, but a sharp G band having a high relative intensity and a 2D band having a shoulder on the low wave number side were observed. These features are unique to defect-free crystalline graphite.
上記の結果から、本発明によれば、極めて高品質なグラファイト膜をCC材表面に形成できた。なお、後述する通り、コーティング層の成長温度を低くすると、グラファイト膜より層数の少ないグラフェン膜を炭素材料表面に形成することが可能であることを付言する。 From the above results, according to the present invention, an extremely high quality graphite film could be formed on the surface of the CC material. As will be described later, it is added that when the growth temperature of the coating layer is lowered, a graphene film having a smaller number of layers than the graphite film can be formed on the surface of the carbon material.
(実施例2)
前述の通り、グラフェン膜またはグラファイト膜の膜厚は加熱温度が高いほど大きくなる。このことを定量的に示すため、グラフェン膜またはグラファイト膜の膜厚の加熱温度依存性を計測した。なお、実験条件は実施例1と同様で、加熱温度のみを変化させた。
(Example 2)
As described above, the film thickness of the graphene film or the graphite film increases as the heating temperature increases. In order to show this quantitatively, the heating temperature dependence of the film thickness of the graphene film or the graphite film was measured. The experimental conditions were the same as in Example 1, and only the heating temperature was changed.
図6はグラフェン膜またはグラファイト膜の膜厚と成長温度の関係を示す。図6から明らかなように、グラフェン膜またはグラファイト膜の膜厚は加熱温度に対して指数関数的に増加する。実測によると、加熱温度が900℃で0.5nm程度、1100℃で10nm程度、1300℃で100nm程度、1500℃で700nm程度、1700℃で5μm程度である。従って、加熱温度により、グラフェン膜またはグラファイト膜の膜厚を制御できることが証明された。なお、加熱温度が1000℃以下では、形成される層数は数〜数十層程度であることから、コーティングを担うのはグラフェン膜であり、1000℃を超える場合にコーティングを担うのはグラファイト膜である。 FIG. 6 shows the relationship between the film thickness of the graphene film or graphite film and the growth temperature. As apparent from FIG. 6, the film thickness of the graphene film or the graphite film increases exponentially with respect to the heating temperature. According to actual measurement, the heating temperature is about 0.5 nm at 900 ° C., about 10 nm at 1100 ° C., about 100 nm at 1300 ° C., about 700 nm at 1500 ° C., about 5 μm at 1700 ° C. Therefore, it was proved that the thickness of the graphene film or the graphite film can be controlled by the heating temperature. When the heating temperature is 1000 ° C. or less, the number of layers formed is about several to several tens of layers. Therefore, the graphene film is responsible for coating, and the graphite film is responsible for coating when the temperature exceeds 1000 ° C. It is.
(実施例3)
次に、コーティング層であるグラフェン膜またはグラファイト膜の膜厚の加熱・冷却の温度プロファイル依存性を計測した。
(Example 3)
Next, the temperature profile dependence of heating / cooling of the film thickness of the graphene film or graphite film as a coating layer was measured.
具体的にはグラファイト膜をコーティングする際の温度プロファイルを図7(a)、図7(b)に示す2通りの温度プロファイルで行い、CC材表面のグラファイト膜コーティングがどう変化したかを光学顕微鏡で観察した。 Specifically, the temperature profile at the time of coating the graphite film is the two temperature profiles shown in FIGS. 7A and 7B, and how the graphite film coating on the surface of the CC material is changed by an optical microscope. Observed at.
なお、図が示すとおり、図7(а)は単調な加熱・冷却の温度プロファイルであり、図7(b)は加熱・冷却を繰り返す温度プロファイルである。 7A shows a monotonous heating / cooling temperature profile, and FIG. 7B shows a temperature profile in which heating / cooling is repeated.
図7(а)に示す温度プロファイルでコーティングを行った場合のCC材表面の光学顕微鏡像を図8(а)に、図7(b)に示すような加熱・冷却を繰り返す温度プロファイルでコーティングを行った場合のCC材表面の光学顕微鏡像を図8(b)に示す。 FIG. 8A shows an optical microscope image of the surface of the CC material when coating is performed with the temperature profile shown in FIG. 7A. FIG. 7B shows the coating with a temperature profile that repeats heating and cooling as shown in FIG. 7B. FIG. 8B shows an optical microscope image of the surface of the CC material when it is performed.
どちらのコーティングの場合も、加熱温度の最高値は1200℃で、昇温から高温までの時間がほぼ同じであるにも拘らず、表面のモルフォルジーには顕著な違いが現れる。図8(а)では、比較的面積の小さなグラファイト片が集積してCC材表面を覆っていたのに対し、図8(b)では、一枚岩のグラファイト膜がCC材表面を被覆していることが観察された。この観察結果は、短時間の加熱・冷却を繰り返すことにより、結晶サイズの大きなグラファイトの成長を促進できることを意味する。従って、短時間の加熱・冷却を繰り返すなど、温度プロファイルを工夫することで、より結晶粒界が少なく、より欠陥の少ないグラファイト膜によるコーティングが可能であると結論できる。 In both cases, the maximum value of the heating temperature is 1200 ° C., and although the time from the temperature rise to the high temperature is almost the same, a remarkable difference appears in the surface morphology. In FIG. 8 (a), graphite pieces having a relatively small area accumulate and cover the surface of the CC material, whereas in FIG. 8 (b), a monolithic graphite film covers the surface of the CC material. Was observed. This observation result means that the growth of graphite having a large crystal size can be promoted by repeating heating and cooling for a short time. Therefore, it can be concluded that coating with a graphite film with fewer crystal grain boundaries and fewer defects is possible by devising a temperature profile such as repeated heating and cooling for a short time.
(実施例4)
本実施例では、本発明によるコーティングを施したCC材のXe+イオンに対するスパッタリング耐性を調べた。
Example 4
In this example, the sputtering resistance of the CC material coated with the present invention to Xe + ions was examined.
イオンエンジンの加速電極に使用されるCC材グリッドに対し、本発明を適用した。実験条件は実施例1と同様であるが、コーティング層の膜厚を大きくするために加熱温度は1500℃で実験を行った。CC材グリッドのスパッタリング耐性を調べるため、真空中、CC材表面を1800Vに加速したXe+イオンに暴露し、CC材表面から飛跳するC+イオン量を質量分析器で計測した。 The present invention was applied to a CC material grid used for an acceleration electrode of an ion engine. The experimental conditions were the same as in Example 1, but the experiment was conducted at a heating temperature of 1500 ° C. in order to increase the thickness of the coating layer. In order to examine the sputtering resistance of the CC material grid, the surface of the CC material was exposed to Xe + ions accelerated to 1800 V in vacuum, and the amount of C + ions jumping from the surface of the CC material was measured with a mass spectrometer.
コーティングしたCC材グリッドとコーティングしていないCC材グリッドを比較すると、C+イオンの相対量は、前者は後者の約4分の1に減少した。コーティングしたCC材においてスパッタリング耐性が向上した理由は、コーティング層であるグラファイト膜は、原子欠損や結晶粒界などの欠陥が少ないことに起因して構造的に強固なことと、コーティング層であるグラファイト膜の平坦性が高いため、Xe+イオンがスパッタリング収率の低い90°で入射する確率が大きくなったためと考えられる。従って、上記結果から、CC材グリッドの寿命は約4倍に向上することが証明される。 When comparing the coated CC grid with the uncoated CC grid, the relative amount of C + ions was reduced to about one-fourth of the latter. The reason why the sputtering resistance improved in the coated CC material is that the graphite film as the coating layer is structurally strong due to few defects such as atomic defects and crystal grain boundaries, and the graphite as the coating layer. This is probably because the flatness of the film is high, and the probability that Xe + ions are incident at 90 ° with a low sputtering yield is increased. Therefore, from the above results, it is proved that the lifetime of the CC material grid is improved by about 4 times.
以上、本発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。 Although the embodiments and examples of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. is there.
本発明は、炭素繊維強化炭素材料(CC材)などに代表される炭素材料で構成される中間材料、例えば、釣竿、テニスやバトミントンのラケットなどスポーツ・レジャー用品、各種工業機器やX線関連の医療機器の部材、土木建築や航空宇宙分野の構造材、電機産業における電極などの電子部品などが挙げられる。特に、小惑星探査機、気象観測などを目的とした静止衛星に搭載されるイオンエンジンにおいて、イオン加速に使用されるCC材グリッド(電極)のスパッタリングに対する耐摩耗性を向上させる用途に適用できる。 The present invention is an intermediate material composed of carbon materials typified by carbon fiber reinforced carbon materials (CC materials), for example, sports and leisure products such as fishing rods, tennis and badminton rackets, various industrial equipment and X-ray related products. Examples include medical equipment components, civil engineering and aerospace structural materials, and electronic components such as electrodes in the electrical industry. In particular, in an ion engine mounted on a geostationary satellite for the purpose of asteroid probe, weather observation, etc., the present invention can be applied to an application for improving the wear resistance against sputtering of a CC material grid (electrode) used for ion acceleration.
1 炭素材料
2 金属
3 炭素
4 グラファイト膜
5 炭素材料母材
6 蓋
7 容器
8 炭素含有原料
9 炭素材料構造材
DESCRIPTION OF
Claims (7)
(b)液体の前記金属を冷却することで液体の前記金属中の前記炭素を前記炭素材料母材の表面に析出させ、前記炭素材料母材の表面をコーティングする、炭素材料構造材の製造方法。 (A) A liquid metal to which a carbon-containing raw material is added is brought into contact with a carbon material base material containing a carbon material, and the carbon in the carbon material base material is dissolved in the metal by heating the metal. ,
(B) A method for producing a carbon material structural material, wherein the carbon in the liquid metal is precipitated on the surface of the carbon material base material by cooling the metal in the liquid, and the surface of the carbon material base material is coated. .
を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の炭素材料構造材の製造方法。 (C) removing the metal from the surface of the carbon material base material coated with the carbon;
The manufacturing method of the carbon material structural material as described in any one of Claims 1-3 which has these.
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