JP6854410B2 - カーボン構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カーボン構造体及びカーボン構造体の製造方法に関する。

カーボンナノファイバーの製造方法及び用途の開発が盛んに行われている。一般的に、カーボンナノファイバーは、触媒粒子を配置した基板に高温下で炭素原料ガスを供給することにより成長させる気相成長法によって製造される。このような方法によって得られるカーボンナノファイバーは、カーボンナノチューブとも呼ばれ、直線的なチューブ状のグラフェン層を有する。

これに対して、気相成長法によりカーボンナノファイバーを形成する際に不純物ガスを供給することによってコイル状のカーボンナノファイバー（カーボンマイクロコイル）を形成する技術が提案されている（特開平１１−１２４７４０号公報参照）。

特開平１１−１２４７４０号公報

上記公報に開示される方法によって得られるカーボンマイクロコイルは、螺旋構造の平均径がマイクロメートルオーダーであり、より大きな径を有するコイルを形成することが困難である。また、上記公報の方法で得られるカーボンマイクロコイルは、単繊維が螺旋状に成長するものであり、コイルの線径を大きくすることはできない。このため、上記公報記載のカーボンマイクロコイルは、用途が限定される。

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、形状の自由度が大きいカーボン構造体及びそのようなカーボン構造体の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様に係るカーボン構造体は、複数のカーボンナノファイバーが撚り合された繊維束を有し、上記繊維束が螺旋状に形成されている。

上記課題を解決するためになされた本発明の別の態様に係るカーボン構造体の製造方法は、浸炭が可能な金属を主成分とする複数の基材を開裂及び離間し、開裂した基材間にそれぞれカーボンナノファイバーを成長させ、開裂した基材の少なくとも一方を離間方向を中心として回転させる。

本発明の一態様に係るカーボン構造体及び本発明の別の態様に係るカーボン構造体の製造方法よって得られるカーボン構造体は、形状の自由度が大きい。

図１は、本発明の一実施形態のカーボン構造体の形状を示す模式図である。 図２は、図１のカーボン構造体を製造できる製造装置の構成を示す模式図である。

［本発明の実施形態の説明］
本発明の一態様に係るカーボン構造体は、複数のカーボンナノファイバーが撚り合された繊維束を有し、上記繊維束が螺旋状に形成されているカーボン構造体である。

当該カーボン構造体は、複数のカーボンナノファイバーを撚り合わせた繊維束を螺旋状にしたものであるため、線径（繊維束の太さ）並びに螺旋の径及びピッチが比較的自由に選択できる。

上記繊維束の螺旋の平均径が０．１ｍｍ以上であることが好ましい。この構成によって、当該カーボン構造体を例えば機械的ばね等として利用することが可能となる。

上記複数のカーボンナノファイバーが螺旋状の繊維束内で残留応力を有しないことが好ましい。この構成によって、当該カーボン構造体の形状安定性が向上する。

上記カーボンナノファイバーがチューブ状のグラフェン層を有し、このグラフェン層が、上記カーボンナノファイバーの曲がり方向内側に五員環を含み、上記カーボンナノファイバーの曲がり方向外側に七員環を含むことが好ましい。この構成によっても、当該カーボン構造体の形状安定性が向上する。

本発明の別の態様に係るカーボン構造体の製造方法は、浸炭が可能な金属を主成分とする複数の基材を開裂及び離間することにより、開裂した基材間にそれぞれカーボンナノファイバーを成長させるカーボン構造体の製造方法であって、開裂した基材の少なくとも一方を離間方向を中心として回転させるカーボン構造体の製造方法である。

当該カーボン構造体の製造方法は、開裂した基材間にそれぞれカーボンナノファイバーを成長させる際、開裂した基材の少なくとも一方を離間方向を中心として回転させるので、複数のカーボンナノファイバーが撚り合わされた状態で成長する。このため、当該カーボン構造体の製造方法は、複数のカーボンナノファイバーが撚り合わされた繊維束を形成することができる。また、当該カーボン構造体の製造方法は、開裂した基材の離間方向を変化させることにより形成されるカーボン構造体の形状を自由に変化させられる。

上記開裂した基材間の相対位置の軌跡が螺旋を描くよう上記離間方向を変化させることが好ましい。この構成によって、弦巻ばね状のカーボン構造体を形成することができる。

ここで、「螺旋の平均径」とは、螺旋状のカーボン構造体の平均外径を意味するものとする。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ詳説する。

＜カーボン構造体＞
図１に、本発明の一実施形態に係るカーボン構造体を示す。当該カーボン構造体は、複数のカーボンナノファイバー１が撚り合された繊維束２を有する。当該カーボン構造体において、上記繊維束２は、螺旋状に形成されている。

カーボンナノファイバー１は、１又は複数のチューブ状のグラフェン層を有する。このグラフェン層は、扁平なチューブ状であってもよい。また、このグラフェン層は、カーボンナノファイバー１の曲がり方向内側（複数のカーボンナノファイバー１の撚りによる曲がり及び繊維束２全体の曲がりによる各カーボンナノファイバー１の曲がりを含む）に格子欠陥としての五員環を含み、カーボンナノファイバー１の曲がり方向外側に格子欠陥としての七員環を含むことが好ましい。これにより、カーボンナノファイバー１は、自然と曲がりを有する形状となり、複数のカーボンナノファイバー１を所望のピッチで撚り合わせた繊維束２を形成することができる。

これらのカーボンナノファイバー１は、当該カーボン構造体において、螺旋状の繊維束２内で残留応力を有しないことが好ましい。これによって、当該カーボン構造体の形状安定性が向上し、当該カーボン構造体が機械的なばねとしてリニアな特性を有するものとなる。

繊維束２の螺旋の平均径の下限としては、０．１ｍｍが好ましく、１．０ｍｍがより好ましい。繊維束２の螺旋の平均径が上記下限に満たない場合、当該カーボン構造体の製造が容易でなくなるおそれがある。

（利点）
当該カーボン構造体は、複数のカーボンナノファイバー１を撚り合わせた繊維束２を螺旋状にしたものであるため、線径（繊維束２の太さ）並びに螺旋の径及びピッチが比較的自由に選択できる。このため、当該カーボン構造体は、機械的ばねとして様々な用途に使用することができる。特に、当該カーボン構造体は、熱に強いため、高温環境下で使用するばねとして好適に利用できる。また、当該カーボン構造体は、化学的に安定で磁性を有しないため、強酸等の薬品中や強磁場中でも使用することができる。

＜カーボン構造体の製造方法＞
図１のカーボン構造体は、本発明の別の実施形態に係るカーボン構造体の製造方法によって製造することができる。

当該カーボン構造体の製造方法は、浸炭が可能な金属を主成分とする複数の基材を開裂及び離間することにより、開裂した基材間にそれぞれカーボンナノファイバー１を成長させる。また、当該カーボン構造体の製造方法は、開裂した基材の少なくとも一方を離間方向を中心として回転させる。

また、当該カーボン構造体の製造方法において、図１のように弦巻ばね状のカーボン構造体を形成する場合、上記開裂した基材間の相対位置の軌跡が螺旋を描くよう上記基材の離間方向を変化させる。つまり、当該カーボン構造体の製造方法は、複数のカーボンナノファイバーを撚り合わせた繊維束を製造するものであって、繊維束の形状は図１のような螺旋状のものに限定されない。

（カーボン構造体製造装置）
当該カーボン構造体の製造方法は、図２に示すカーボン構造体製造装置を用いて行うことができる。

図２のカーボン構造体製造装置は、浸炭が可能な金属を主成分とする複数の基材Ａを開裂及び離間することにより、開裂した基材Ａ間にそれぞれカーボンナノファイバー１を成長させる装置である。

このカーボン構造体製造装置は、密閉容器である反応室１１と、反応室１１の内部に配置されたヒーター１２と、複数の基材Ａを有する保持体（第一保持体Ｂ１及び第二保持体Ｂ２）の両端部を把持する一対の把持ブロック（第一把持ブロック１３ａ及び第二把持ブロック１３ｂ）と、第二把持ブロック１３ｂを回転可能に支持する回転部１４と、回転部１４を三次元的に移動させる駆動部１５と、反応室１１に炭素含有ガスなどを供給するためのガス供給部１６と、反応室１１からガスを排気するための排気部１７とを備える。

（基材）
基材Ａの材質としては、炭素と固溶体を形成する金属が好ましいが、それ以外でも表面から浸炭可能な金属であればよい。炭素と固溶体を形成する金属として、鉄、ニッケル及びコバルトが好ましく、コストの面から鉄が好ましい。さらに、鉄の中でも純度が４Ｎ以上の純鉄が好ましい。なお、基材Ａは、本発明の効果を損なわない範囲で上記金属以外の添加物等を含んでもよい。

基材Ａの形状は、せん断可能なものであれば特に限定されないが、針状乃至線状が好ましい。また、基材Ａの平均径としては、例えば１０ｎｍ以上５００μｍ以下とすることができる。なお、基材Ａの「平均径」は、基材Ａの断面の円相当径を意味するものとする。

カーボン構造体の成長個所である開裂場所を制御する観点から、基材Ａは酸化されていないことが好ましい。基材Ａが酸化されていると、基材Ａが脆くなり意図しない位置で分断が発生するおそれがある。具体的には、基材Ａは、酸化されていない同体積の基材に対して、酸化による体積増加率が１５％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましく、０％であることがさらに好ましい。

（保持体）
このような基材Ａを有する保持体（第一保持体Ｂ１及び第二保持体Ｂ２）としては、例えばナノポーラスアルミニウム等の他の細孔にめっきにより基材Ａを充填したものや、基材Ａの材料から形成される複数の線材間に他の金属を充填した材料を延伸加工して得られる複数の基材Ａに第一把持ブロック１３ａ及び第二把持ブロック１３ｂで保持可能な金属片を通電溶接したものなどを用いることができる。

（反応室）
反応室１１としては、気密性及び断熱性を有するチャンバーを用いることができる。

（ヒーター）
ヒーター１２としては、反応室内を加熱できるものであればよく、例えば電熱ヒーター等の任意の加熱装置を用いることができる。

反応室１１内の少なくとも基材Ａの開裂面近傍における温度としては、８００℃以上１２００℃以下とすることが好ましい。

（把持ブロック）
第一把持ブロック１３ａ及び第二把持ブロック１３ｂとしては、第一保持体Ｂ１及び第二保持体Ｂ２を把持することができるものであればよく、例えばチャック、クランプ等公知の機構を有するものを用いることができる。

（回転部）
回転部１４は、第二把持ブロック１３ｂを回転する。この回転部１４の回転方向としては、基材Ａの開裂直後において第二保持体Ｂ２を開裂方向の軸を中心に回転する方向とされる。これにより、複数のカーボンナノファイバー１を残留応力なく撚り合わされた状態に成長させることができる。

回転部１４の回転速度としては、例えば０．０１ｒｐｍ以上１０ｒｐｍ以下とすることができる。

（駆動部）
駆動部１５は、第二保持体Ｂ２を第一開裂部材Ｂ１から離間する。この第二保持体Ｂ２の第一開裂部材Ｂ１に対する離間方向を徐々に変化させることによって、螺旋状等の曲がりを有する形状の繊維束２を形成することができる。

この駆動部１５としては、専用の駆動機構を用いてもよく、多関節ロボット等を用いてもよい。

駆動部１５による第二保持体Ｂ２の移動速度の下限としては、０．５μｍ／ｓが好ましく、１μｍ／ｓがより好ましい。一方、駆動部１５による第二保持体Ｂ２の移動速度の上限としては、１００μｍ／ｓが好ましく、１０μｍ／ｓがより好ましい。駆動部１５による第二保持体Ｂ２の移動速度が上記下限に満たない場合、カーボン構造体の製造効率が低下して製造コストが増大するおそれがある。逆に、駆動部１５による第二保持体Ｂ２の移動速度が上記上限を超える場合、カーボンナノファイバー１の成長が追いつかず、カーボン構造体を形成できないおそれがある。

（ガス供給部）
ガス供給部１６は、反応室１１内に炭素含有ガスを供給する。この炭素含有ガスとしては、炭化水素ガス等の還元性を有するガスが用いられ、例えばアセチレンと窒素又はアルゴンとの混合ガスあるいはメタンを用いることができる。

アセチレンを含むガスを用いる場合、カーボン構造体の表面にアモルファスカーボンの付着を防止するため、アセチレン濃度は低い方が好ましい。上記混合ガス中のアセチレン濃度の下限としては、０．１体積％が好ましく、１体積％がより好ましい。一方、アセチレン濃度の上限としては、２０体積％が好ましく、５体積％がより好ましい。アセチレン濃度が上記下限に満たない場合、長尺のカーボン構造体を効率的に得ることができなくなるおそれがある。逆に、アセチレン濃度が上記上限を超える場合、アモルファスカーボンが生成してカーボン構造体の強度が不十分となるおそれがある。

一方、メタンは、アモルファスカーボンの付着を抑制する効果を有しており、反応性を上げ成長速度を上げるために濃度が高い方が好ましく、濃度が１００％であることがより好ましい。

（排気部）
排気部１７は、反応室１１内のガスを排気するものであり、ポンプ又はファンを有するものとされる。

図２のカーボン構造体製造装置では、基材Ａの開裂部分の端面間にカーボンナノファイバー１が成長する。具体的には、基材Ａの開裂端面に浸炭し、この端面にカーボンナノファイバー１が形成される。そして、第一開裂部材Ｂ１と第二保持体Ｂ２とをゆっくりと離間することで、各基材Ａの開裂部分間を繋ぐよう複数のカーボンナノファイバー１が連続的に成長する。

このような、カーボンナノファイバー１の成長過程において、第二保持体Ｂ２を回転することよって、複数のカーボンナノファイバー１が残留応力なく撚り合わされた繊維束２が形成され、第二保持体Ｂ２を螺旋状に移動させることで、繊維束２が螺旋状に形成される。なお、カーボンナノファイバー１が「残留応力を有しない」ことは、当該カーボン構造体を破壊した場合にカーボンナノファイバー１がカーボン構造体内に組み込まれていた時の形状を維持することによって確認できる。

［その他の実施形態］
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

当該カーボン構造体の製造方法において、カーボンナノファイバーの成長点、つまり第一保持体及び第二保持体の開裂面にレーザーを照射して反応を促進してもよい。

当該カーボン構造体の製造方法において、第一保持体及び第二保持体の両方を移動してもよい。例えば第一保持体を直線移動し、第二保持体を円を描くよう回動させることで、開裂した基材間の相対位置の軌跡が螺旋を描き、繊維束が螺旋状に形成されたカーボン構造体を製造することができる。

本発明の一態様に係るカーボン構造体及び本発明の別の態様に係るカーボン構造体の製造方法によって得られるカーボン構造体は、高温環境下で使用されるコイルとして特に好適に利用することができる。

１ カーボンナノファイバー
２ 繊維束
１１ 反応室
１２ ヒーター
１３ａ 第一把持ブロック
１３ｂ 第二把持ブロック
１４ 回転部
１５ 駆動部
１６ ガス供給部
１７ 排気部
Ａ 基材
Ｂ１ 第一保持体
Ｂ２ 第二保持体

Claims (1)

1. 浸炭が可能な金属を主成分とする複数の基材を開裂及び離間することにより、開裂した基材間にそれぞれカーボンナノファイバーを成長させるカーボン構造体の製造方法であって、
   開裂した基材の少なくとも一方を離間方向を中心として回転させ、
   上記開裂した基材間の相対位置の軌跡が螺旋を描くよう上記離間方向を変化させるカーボン構造体の製造方法。
   

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