JPH06322615A - 炭素繊維とその製造方法 - Google Patents
炭素繊維とその製造方法Info
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Abstract
維が単層の円筒状黒鉛シートからなり、外径が3nm以
下の形状をもつ炭素繊維とその製造方法を提供する。 【構成】 円筒状黒鉛からなる黒鉛繊維において、各々
の繊維が単層の円筒状黒鉛シートで、それらの外径が3
nm以下の構造をもつ。この炭素繊維は、不活性ガス主
体のアーク放電プラズマ中に原料ガスとして炭化水素を
送り込みこれを熱分解して炭素繊維を形成する過程にお
いて、ガス状の触媒物質を介在させることにより製造す
る。
Description
空らせん円筒状繊維において、単層の円筒構造をもつ炭
素繊維、とりわけ外径がナノメータサイズの炭素繊維の
製造方法に関するものである。
は熱的に安定な物質であるため、工業分野で広く利用さ
れている。本発明者は、炭素電極を用いた不活性ガスア
ーク放電電極堆積物中に黒鉛を基本構造とした炭素原子
からなるナノメータサイズのらせん構造をもつ新しいタ
イプの黒鉛繊維を発見した[ネイチュアー(Natur
e),354,56(1991)]。この黒鉛繊維は炭
素6員環を主構造としたらせん構造で形成された円筒形
状をもち、外径が1〜30nmの極めて微細な、同心円
状に円筒が配置された多重構造の黒鉛繊維であり、発見
者らによりカーボンナノチューブと命名された。この多
重らせん円筒構造の黒鉛繊維の発見に触発されて、仮想
的単層の黒鉛らせん円筒構造物質の電気特性の理論計算
が浜田らによって行われたが[フィジカルレビューレタ
ー(Physical Review Letter)
誌68,1579(1992)]、それによると単層カ
ーボンナノチューブの電気特性は、繊維の直径と、らせ
ん構造のピッチによって、金属から半導体まで規則だっ
て変化することがわかった。また繊維の直径がナノメー
タサイズのときに、とりわけ際立って上記の構造に依存
した物性変化がみられることが予測された。この理論的
研究から、多層構造をもつカーボンナノチューブではな
く、直径や、らせん構造のピッチが均一な単層のナノチ
ューブが電気素子等への応用にはさらに有用なものであ
ることが明らかにされた。
を改良することによって多層ナノチューブの収率が大幅
に向上することが報告されたが[ネイチュアー(Nat
ure)358,220(1992)]、この大量合成
の報告中にも単層のナノチューブについての記載はな
く、単層ナノチューブが果たして物質として安定に存在
し得るものなのか、また工業的に効率の良い製造手段が
あるかどうか等は明らかでなく、その存在は仮説のまま
であった。
炭素原料とする以外に、炭化水素を原料として用いる方
法の報告がある。例えば、森本の「気相法炭素繊維の製
造方法」(特開昭61−194223号公報)による
と、アーク放電により金属細線から微粉末を作製し、そ
れを炭化水素を熱分解する炭素繊維生成帯に導くことに
よって炭素繊維が作製できると報告されている。また河
内らの「新規な炭素繊維の製造方法」(特開昭59−1
52298号公報)によると、炭化水素をキャリアガス
と一緒に直流アーク放電中で熱分解し、分解された炭化
水素ガスを金属微粒子が塗布された炭素繊維生成帯に導
いて炭素繊維を作製する方法を開示した。
製された炭素繊維はミクロン(μm)前後の直径をもつ
太いもので、ナノメータサイズの単層ナノチューブは作
製されていなかった。
ューブは通常数個以上の円筒状黒鉛層が同心円状に形成
されたものであり、また円筒の大きさは一定していな
い。従って、従来のカーボンナノチューブの電気特性や
化学的特性には大きなばらつきがある。カーボンナノチ
ューブの工業的応用においては、カーボンナノチューブ
の形状の制御された、例えば一定の太さで、単層かまた
は円筒の数が揃ったカーボンナノチューブが必要であ
る。
成されたものであり、本発明の目的は、単層の黒鉛層か
らなる直径が3nm以下の円筒でかつ円筒のサイズが比
較的揃ったカーボンナノチューブとその製造方法を提供
するものである。
め、本発明者等は、従来行われている炭素アーク法によ
るカーボンナノチューブの製造法とは異なるカーボンナ
ノチューブの製造方法を開発した。従来法では、希ガス
雰囲気中に設置された二つの炭素電極間に直流電圧を印
加し、炭素アークを発生させると、負電極上に炭素から
なる固形物が堆積する。この堆積物の中にカーボンナノ
チューブが形成されている。
方を金属にして、アーク放電を起こさせるものである。
また雰囲気ガスとして、希ガスと炭化水素ガスの混合ガ
スを用いることが特徴である。この場合、炭化水素ガス
はカーボンナノチューブの原料として消費される。この
方法では、金属蒸気が電極近傍に発生し、容器内のガス
中に金属または金属炭化物の超微粒子が形成される。電
極付近にある炭化水素ガスは、金属蒸気と接触してカー
ボンナノチューブとしてガス中に成長する。金属微粒子
を触媒として炭素繊維を成長させる方法はよく知られ、
炭素繊維の先端には金属微粒子が付着している[結晶成
長ジャーナル(J.of Crystal Growt
h),66,632(1984)]。本発明による製造
方法で作られる炭素繊維には、金属または金属炭化物の
微粒子の付着は認められない。こうして得られるカーボ
ンナノチューブは、チューブの外径が3nm以下で、全
てのチューブは単層の黒鉛シートから成っている。
囲気中で、黒鉛電極と金属電極の間に直流放電によっ
て、カーボンナノチューブを成長させる製造方法を基本
とし、従来のカーボンナノチューブとは異なる構造の黒
鉛繊維を得るものである。従来法では、カーボンナノチ
ューブは炭素電極上に成長するため、カーボンナノチュ
ーブの生産効率が低く、大量生産の目的に対しては十分
ではない。本発明では、原料になる炭素は炭化水素ガス
として、反応容器内に連続して供給され、またカーボン
ナノチューブはガス中で生成されるため、連続生産が可
能である。したがってカーボンナノチューブの大量生産
の道を拓くものである。
ーブの電子顕微鏡観察によれば、どのチューブの直径も
約1nmで、直径の揃ったカーボンナノチューブが作ら
れている。またどのチューブも単層の円筒であることも
明らかにされた。チューブの先端は閉じられており、カ
ーボンナノチューブの長さは数十nmに成長しているも
のも認められた。
の特徴の一つは、黒鉛円筒上の6員環がらせん構造をも
つように配列されていることである。本発明で得られる
直径の揃った単層黒鉛のカーボンナノチューブにも、こ
のらせん構造があることが、電子回折図形の解析から確
認された。
する。
る直径が3nm以下の円筒でかつ円筒のサイズが比較的
揃ったカーボンナノチューブを示す。図2は、このよう
な単層黒鉛カーボンナノチューブをアルゴンガスとメタ
ンガスの混合ガス雰囲気中で形成する装置の一例を示し
たものである。
する。電極の一方は直径10mmの炭素棒2で、他方は
直径20mmの円筒状の炭素ブロック3で、その上部に
は凹みが設けられ、この凹み内には金属電極4を構成す
る鉄片が設けられる。炭素棒2は水冷手段12をもつ支
持棒13に固定され、支持棒13はアーク放電電源14
の正の導電端子15に接続されている。他方、金属電極
4を構成する鉄片を保持する炭素ブロック3には水冷手
段16が設けられ、この炭素ブロック3は、電気的絶縁
体17で真空容器1とは絶縁され、負の導電端子18に
接続されている。
て可動装置20に連結されている。この可動装置20に
より炭素電極2を上下に移動させることにより、炭素電
極2と金属電極4とのギャップが適当に調整される。
ぐために、真空容器1には水冷管21が付けられてい
る。
されたカーボンナノチューブを捕集する捕集器22が設
けられている。
空排気系5で排気する。所定の圧力、たとえば、圧力計
6によって10-6Torr程度になった段階で真空バル
ブ7を閉じ、ガス供給系8の真空バルブ10を開きより
アルゴンガスを供給する。圧力計6により圧力を測定
し、所定圧力(例えば150Torr)になるように設
定する。次にメタンガス供給系9の真空バルブ11を開
きメタンガスを供給する。圧力計6により圧力を測定
し、所定の圧力(例えば50Torr)になるように設
定する。
設定してアーク放電を10分間持続させる。消費される
メタンガスを補給するために、流量計23を調整して容
器内の圧力が所定の値を保つようにする。電極近傍で生
成されたカーボンナノチューブは、容器内のガスの対流
により電極上方に上り、捕集器22によって集められ
る。その結果、捕集器22に黒色の煤が捕集される。こ
の煤は、カーボンナノチューブとセメンタイト(Fe3
C)の超微粒子の混合体である。
の電子顕微鏡写真を、図3に示した。カーボンナノチュ
ーブの外径はおおよそ1nmで、どのカーボンナノチュ
ーブも単層の円筒状黒鉛シートであることが分かる。
子顕微鏡のもとで実測した例である。横軸はナノチュー
ブの直径を、縦軸は相対頻度を示している。チューブの
長さは長いもので100nmに達する。
たメタンガスの圧力を50Torrにするとカーボンナ
ノチューブの生成量が減少した。また雰囲気ガスをヘリ
ウムにして圧力を300Torr、メタンガスを50T
orrにすると、カーボンナノチューブの生成は僅かに
減少した。
再現性は十分であった。
て鉄以外の金属あるいは金属炭化物、とりわけ遷移金属
かその炭化物を用いる方法が考えられる。また炭素電極
を用いることが本発明の本質でないことはもちろんであ
る。炭素原料として炭化水素を気相でアーク放電プラズ
マ中で熱分解したもののみを用いることも可能である。
本発明の本質的部分は、プラズマ中に炭素原料と、微粒
子状ではなくガス状の触媒物質とが共存するところにあ
る。
ューブとは異なる単層の円筒状黒鉛シートから成るカー
ボンナノチューブが得られる。得られたカーボンナノチ
ューブの円筒径は3nm以下であり、1nmのものが大
部分を占めている。カーボンナノチューブの電気特性は
そのサイズに依存し、半導体になったり金属的になるこ
とが報告されているが、単層の黒鉛シートでほぼ均一径
のカーボンナノチューブが生成されたことにより、カー
ボンナノチューブの電気特性の制御が容易になり、電子
デバイスへの応用の道が拓けることになる。また単層の
カーボンナノチューブを種にして、化学的蒸着法などに
より新たに単層カーボンナノチューブの表面に新たに黒
鉛円筒を成長させることにより、円筒の数を制御したカ
ーボンナノチューブを製造する道が拓ける。
示す図である。
ある。
る。
とで実測した例を示すグラフである。
顕微鏡写真である。
Claims (5)
- 【請求項1】炭素6員環構造を主構造とする黒鉛シート
よりなる単層のらせん円筒構造の炭素繊維。 - 【請求項2】3nm以下の直径を有する請求項1記載の
炭素繊維。 - 【請求項3】炭素6員環構造を主構造とする黒鉛シート
よりなる単層のらせん円筒構造の炭素繊維を製造するに
際し、 不活性ガス主体のアーク放電プラズマ中に原料ガスとし
て炭化水素を送り込み、これを熱分解して炭素繊維を形
成する過程において、ガス状の触媒物質を介在させるこ
とを特徴とする炭素繊維の製造方法。 - 【請求項4】前記触媒物質が金属もしくは金属炭化物で
ある請求項3記載の炭素繊維の製造方法。 - 【請求項5】触媒物質が遷移金属もしくは遷移金属炭化
物である請求項3記載の炭素繊維の製造方法。
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