JPH01201478A - ダイヤモンド被覆炭素部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、表面をダイヤモンドで被覆した炭素部材に関
するもので、このダイヤモンド被覆炭素部材は、スピー
カー振動板、核融合炉壁材。

耐摩擦材、高強度炭素繊維材、集積回路基板等に利用で
きるものである。

［従来の技術］ 従来、ダイヤモンドは高温・高圧下での熱力学的平衡状
態において合成されてきたが、最近非平衡状態を積極的
に利用した気相からの合成法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａ
ｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）いわゆるＣＶＤ法によ
ってダイヤモンドが合成できることが確認されている。

この手法によりセラミックスや全屈材料の表面にダイヤ
モンド膜を形成すると、耐摩耗性。

耐食性等の向上を図ることができる。

但し、ＣＶＤ法によるダイヤモンド膜の合成温度が、通
常７００’Ｃ以上のため、基材が限定される問題がある
。

又、結晶性の良いダイヤモンド膜を気相成長させる条件
は１０倍以上の水素で希釈した炭化水素を用い、ガスを
プラズマ、もしくは熱フィラメントで励起するというの
がよく知られた条件で、特開昭５８−１３５１１７号公
報、特開昭５８−１１０４９４号公報、特開昭５９−３
０９８号公報等に詳細に示されている。

基材温度が７００　勺１２００Ｃと高いため、高融点金
属やセラミックス等、基材の限定は受けるものの、上述
のＣＶＤ法を用い、基材上にダイヤモンド膜を形成する
ことにより、耐摩耗性、耐食性、高比弾性等の向上を図
ることができる。

又、核融合炉リミタ−材として、炭素材であるグラファ
イトが低質量材であり、かつ高い熱流束にも耐える点か
ら広く用いられているが、高温での化学スパッタリング
が大きいため、グラファイトそのものは基材として、そ
の上に炭化ケイ素や炭化チタンを被覆することが試みら
れている。（Ｓｔａｒｆｉｒｅ−Ａ　Ｃｏｍｍｅｒｃｉ
ａｌ　Ｔｏｋａｍａｋｆｕｓｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒｐｌａ
ｎｔ　５ｔｕｄｙ、ＡＮＬ−ＦＰＰ−８０−１）このた
め、より低スパッタ性、低質量性等の点で有利な特性を
持つダイヤモンド膜をグラファイト上に被覆することに
より特性の向上を図ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、ダイヤモンドの低圧気相合成は、本質的に炭
化水素の熱分解によって生成した炭素から析出し、その
析出した物質の中でダイヤモンド以外の炭素物質を再ガ
ス化する、又は析出させる速度を極度に遅くすることに
よって、ダイヤモンドのみを成長させる方法である。

つまり、基材表面では、炭化水素の熱分解。

析出、及びエツチングの現象が起こっていると考えられ
ている。

又、結晶性の良いダイヤモンド生成雰囲気は、強力な水
素プラズマ及び活性な水素ガス雰囲気であるため、基材
にダイヤモンド以外の炭素材料を使用する場合、優先的
にエツチングされ、ダイヤモンドの核生成は非常に不安
定となる。

よって安定して結晶性の良いダイヤモンド膜を炭素基材
上に生成することは不可能であった。

本発明は上記の事情に鑑み、炭素部材に結晶性の良い、
かつ剥離しないダイヤモンド被覆炭素部材を安定して提
供しようとするものである。

［Ｒ題を解決するための手段］ 以上のように炭素部材に直接ダイヤモンド膜を形成させ
ようとすると、通常、水素ガスの含まれる強力な還元性
雰囲気であるため、基材の炭素部材と活性な水素ガス（
例えば原子状水素）が反応し、炭化水素となってしまう
。このため基材は見かけ上エツチングされ、強い還元性
雰囲気では、数分で基材が消失してしまう。又、消失せ
ずども基材表面は不安定である。

そこで、本発明者等は鋭意研究を重ねたところ、炭素基
材表面が還元性雰囲気で損なわれないか、もしくは損な
われたとしても、その影響がダイヤモンド核の形成に影
響しない程度に軽微な、中間層を介して形成させれば良
いとの知見を得、この発明を完成させることができた。

即ち、この発明は、炭素部材上にダイヤモンド膜を被覆
するにあたり、基材と接する表面に周期律表の４Ａ、５
Ａ、及び６Ａ族の遷移金属並びにケイ素及びそれらの炭
化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物、ホウ炭化物及びホ
ウ窒化物。

さらにホウ素及びその炭化物、窒化物のうちの１種の単
層又は２種以上の複数層からなる被覆層を成膜させ、そ
の上にダイヤモンド膜を形成させるものである。

又、少なくともダイヤモンド膜と接する被覆層が炭化ケ
イ素膜であることが好ましい。この炭化ケイ素は結晶性
のものでも、非晶質のものでもよい。

このダイヤモンド被覆炭素部材の使用する分野によって
も異なるが、例えば、スピーカー用振動板として使用す
る場合では、一般にヤング率をＥ、比重を２とした時、
’−／ｑ　　の大きな材料はど高音域での変換特性が優
れているので、ダイヤモンドより密度の大きい炭化ケイ
素等の中間層は薄い方が良い。又、核融合炉材として使
用する場合も、核融合炉プラズマ温度の低下を防ぐ意味
でも、炭化ケイ素より低質量材であるダイヤモンドの方
が好ましく、炭化ケイ素膜はダイヤモンド膜が強力なデ
ィスプラッション等でスパッタリングされた場合を考え
ても、ダイヤモンドより高質量である炭化ケイ素膜は薄
い方が好ましい。

そして、好ましくは０．トＶ５０／ｌｔ”の範囲が良好
である。

［作用コ 上述のように、炭素部材表面を一旦炭化ケイ素膜等で被
覆した後、被覆膜上面に気相成長法でダイヤモンド膜を
合成させる構成になっている。このため、一般に水素ガ
ス及び炭化水素や有機化合物等原料ガスの分解によって
生ずる水素ガス等を含む還元性雰囲気によって炭素部材
表面が直接さらされることなく、ダイヤモンド膜が形成
される。

又、一般にダイヤモンドの気相合成は還元性雰囲気で行
われるため、ト°′のようなダイヤモンドの気相合成法
を用いても、本発明による効果は現れる。

［実施例コ 本発明に係るダイヤモンド被覆炭素部材の実施例につい
て比較例を挙げて具体的に説明する。

まず９９．９％の純度を有するように焼成したグラファ
イト材を作り、これを２０　Ｘ　２０×５　ｍ　ｍの寸
法に切断した後、１０００番のダイヤモンドパウダで最
終研磨し、得られたグラファイト材を基材として使用し
た。又、中間層被覆後の基材表面も１０００番のダイヤ
モンドパウダで研磨した後、ダイヤモンド合成を行った
。

ダイヤモンド合成法としては、化学的なものとしてマイ
クロ波プラズマＣＶＤ法と、ＤＣプラズマ併用熱フィラ
メントＣＶＤ法を用いた。

又、後者の方はフィラメントにＴａ線を用いた。

［実施例１］ 上記グラファイト基材を反応容器内に入れ、この中に５
ｉＣ１ψ１０体積％、ＣＨｚｌＯ体積％、Ｈ２８０体積
％の混合ガスプラズマＣＶＤを行ったところ、基材温度
５ｏｏｃにおいて、グラファイト基材上にｌ　、ｔｂ−
ｃの炭化ケイ素膜が被覆された。そして、この炭化ケイ
素膜被覆グラファイト基材を再び第１図に示すマイクロ
波プラズマＣＶＤ装置でＨ：Ｌ９９体積％、ＣＨφ１体
積％からなる混合ガスにより圧力５０Ｔｏｒｒによりプ
ラズマＣＶＤを１時間行ったところ、炭化ケイ素膜被覆
グラファイト基材表面に２μＷＬのダイヤモンド膜が形
成された。

この炭化ケイ素膜は、Ｘ線回折では何らピークが認めら
れないものであったが、ＥＳＣＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　
５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｆｏｒ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ
　Ａｎａｌｙｓｉｓ）及びオージェ電子分光（Ａ　ｕｇ
ｅｒ　Ｅ　１ｅｃｔｒ。

ｎ　Ｓ　ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）では炭化ケイ素の結
合を持ち、ケイ素と炭素とからなる非晶質膜であること
が確認された。

又、ダイヤモンド膜については、Ｘ線回折でピークが確
認される結晶質のものであることが確認された。

［実施例２］ 実施例１と同様にして、炭化ケイ素膜被覆グラファイト
基材を作製し、これを第２図に示すＤＣプラズマ併用Ｃ
ＶＤ装置で、Ｈ，９９体積％、ＣＨ，ｆ１体積％からな
る混合ガスにより圧力５０　Ｔｏｒｒ、　フイラメンし
温度２４００Ｇ、基材表面温度８５０’Ｃ、フィラメン
トと基材間の距離８ｍｍ、ＤＣプラズマ５Ａ／ｃ−基板
冷却の条件でダイヤモンド被覆を１時間行い、１０μ舛
のダイヤモンド膜を形成した。炭化ケイ素膜。

ダイヤモンド膜は、実施例１と同様、前者は非晶質、後
者は結晶性の良いダイヤモンド膜であることが判った。

［実施例３］ 上記グラファイト基材を石英反応管に入れ、この中にＴ
ｉＣ１ｙ２体積％、ＣＨ，５体積％、Ｈユ９０体積％の
混合ガスプラズマＣＶＤを行い、基材上に３７ｃ派のＴ
ｉＣ膜を被覆した。そして、この基材上に実施例２と同
様のＤＣプラズマ併用熱フィラメントＣＶＤ法によりダ
イヤモンド膜を被覆した。

このＴｉＣ膜は、非晶質のものであることが確認された
が、ダイヤモンド膜に関しては、結晶性の良いものであ
ることが、Ｘ線回折より判明した。

しかし１０日後に、ＴｉＣ，ダイヤモンド界面にて剥離
が生じた。

［実施例４］ 上記グラファイト基材にマグネトロンスパッタリング法
によりケイ素のスパッタリング膜を８０００Ａ被覆した
。

そして、この基材上に実施例１と同様にしてダイヤモン
ド合成を行った。生成したダイヤモンド膜に関してはＸ
線回折より結晶性の良いものであることが判った。

［比較例１］ 上記グラファイト基材に炭化ケイ素膜等被覆層を一切介
さずに、直接ダイヤモンド膜を合成させた以外は、実施
例１と同様の方法で、実験を１時間行った。

ダイヤモンドについては、Ｘ線回折では何らピークが観
測されず、電子線回折によれば、部分的にダイヤモンド
のピークが存在することが確認された。

又、グラファイト基材の重量が、処理前後において８０
％も減少していることが確認された。

［比較例２］ 比較例１と同様の条件で、時間のみ１時間増加させて実
験を行ったところ、最初にセットしたグラファイト基材
は消失していた。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、炭素部材の表面にダイ
ヤモンド膜を被覆する場合は、炭化ケイ素膜をはじめと
する中間層を介在させることにより、ダイヤモンド生成
下の強力な水素プラズマや活性水素に直接炭素部材がさ
らされることがなくなり、その結果、本発明のダイヤモ
ンド被覆炭素部材は、 （１）使用目的に応じ、複雑形状の炭素部材に対しても
、ダイヤモンド膜を形成することができる。

（２）　　ダイヤモンドの特性を兼ね備えた炭素部材と
して潤滑性と耐摩耗性を必要とする分野。

高周波が流れる集積回路基板として低誘電率を必要とす
る分野、スピーカー等の振動板として高比弾性率が必要
となる分野、又、核融合炉材等、低質量、高温での低化
学スパッタリング特性を必要とする分野への利用が可能
である。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の実施例及び比較例で使用したダイヤモ
ンド合成装置の説明図で、第１図はマイクロ波プラズマ
ＣＶＤ装置、第２図はＤＣプラズマ併用熱フィラメント
ＣＶＤ装置の説明図である。 １・・基材、２・・石英反応管、３・・真空排気口、４
・・供給ガス導入口、５・・マグネトロン、６・・導波
管、７・・プランジャー、８・・発生プラズマ、９・・
フィラメント、１０・・水冷可能な支持台、１１・・冷
却水、１２・・ＡＣ電源、１３・・ＤＣ電源、１４・・
絶縁シール。 第１１￥Ｉ 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　炭素部材にダイヤモンドを被覆するにあたり、基
   材と接する表面に周期律表の４Ａ，５Ａ，及び６Ａ族の
   遷移金属並びにケイ素 及びそれらの炭化物，窒化物，炭窒化物， ホウ化物，ホウ炭化物，及びホウ炭窒化物，酸化物，さ
   らにホウ素及びその炭化物，窒 化物のうちの１種の単層，又は２種以上の 複層からなる被覆層を成膜し、その上にダ イヤモンド膜が形成されていることを特徴 とするダイヤモンド被覆炭素部材。