JPS6311510A - 等方性熱分解炭素の製造法 - 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） 本発明は等方性熱分解炭素の製造法に関する。

（従来の技術） （１）熱分解炭素は、およそ６００℃以上の温度に加熱
された炭素、黒鉛等の基材に炭化水素等の原料を含有し
たガスを接触させることによシ製造される。特に１８０
０℃以上の高温で得られる熱分解炭素は、炭素原子の共
有結合によって生ずる六員環面が上下に積重なった層状
構造を形成し熱的、′Ｗ！気的に異方性を有し、基材へ
の堆積面に対して平行方向の熱伝導度はタングステンに
匹敵すケットノズル、ノーズコーンなどの耐熱構造材料
に使用される。また、異方性の高い熱分解炭素に３、　
ＯＯ０℃以上の高温でホットプレス処理を施したものは
、現在ｘｍ等のモノクロメータとして広く使用されてい
る。

このように、単に基材に前記した原料含有ガスを接触さ
せることにより得られる熱分解炭素は。

断面を偏光顯微鏡によシ観察すると、異方性を有するこ
とから光学的に活性であり、一般に柱状構造を示すこと
が知られている。

黒鉛等の異方性をあられす尺度としてＢＡＦ（Ｂａｃｏ
ｎ　　Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ　　Ｆａｃｔｏｒ　）を算
出する方法がよく用いられる。ＢＡＦは１の場合に異方
性がなく、数値が大きいほど異方性が大きいことを示す
。

上記した従来の手法により得られる熱分解炭素は、比較
的異方性の小さなものでもＢＡＦは５を越えることがわ
かっている。

（２）一方１粒状核・燃料（て熱分解炭素を被覆する方
法とし又は、流動床法とよばれる方法が広く利用されて
いる。これは、加熱されたるつぼ内器で粒状核燃料を入
れ、下方より原料含有ガスを吹き上げて、基材となる粒
状核燃料を流動させながら数１０μｍの被膜を形成させ
る方法である。この手法によれば、数１０μｍと非常に
薄いながらも。

はぼ等方質（ＢＡＦは１に近い）の熱分解炭素を得るこ
とができる。

（発明が解決しようとする問題点） 前記（１）の手法により得られる異方性熱分解炭素は、
基材の堆積面に対して垂直の方向（結晶のＣ軸方向）の
機械的強度が著しく劣る。これは結晶のＣ軸方向は共有
結合による強固な六員環面を形成するのに対し、Ｃ軸方
向は六員環面同士の弱いファンデルワールス力によって
結合しているためである。すなわち、堆積面と垂直方向
の機械的強度が極めて弱いため２機械加工を施すことが
ほとんどできない。例えば基材に直接このような異方性
熱分解炭素を厚く堆積させてるつぼを形成しようとする
と２曲部の歪が大きくなって亀裂が発生したり２層間剥
離によってるつぼが壊れてしまうことが多い。

耐熱性、ｌｔ′を酸化性及び耐食性に優れるという熱分
解炭素の特質は、異方性に基づくものではなく。

気孔がなく不通気性である等の熱分解炭素の本質的な性
質によシ生ずるものであるから、るつぼ等の耐熱性、ｌ
１Ｉｉ′を酸化性及び耐食性に優れる等の特長が必要と
なる製品は２機械的強度に優れる等方性熱分解炭素によ
り製造するのが最良である。しかし前記（１）の手法で
は等方性熱分解炭素を得ることはできない。

一方、前記（２）の手法によると２等方性の熱分解炭素
被膜を得ることができるが、この手法では数１０μｍ程
度の膜しか形成できず、厚く堆積させることができない
。また、この手法は粒状の基材を浮かせて流動させるた
めに大量のガスを必要とし、基材の寸法も制限されると
いう欠点を有する。

本発明は上記した問題及び欠点を解消する２等方性熱分
解炭素の製造法を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段〉 本発明者らは、静止した基材上に原料含有ガスを流す従
来のＣ’ＶＤ法及び流動床法における熱分解炭素の生成
機構について研究、考察を重ねた結果、熱分解炭素は、
■メタン等の原料ガスの分子。

水素が加熱された基材表面で反応し基材表面に配向して
堆積する。■気相中で環化重合し、ポリマー（扁平状巨
大芳香族分子）となった化学珈が基材表面に付着し、更
に脱水素及び重合を繰返し生成する二徨の反応過程によ
って生成すること、■の反応は１４００〜１６００℃又
はそれ以上の温度でないと起こり難く、生成した熱分解
炭素は等方性にならないことを明らかＫＬ、上記Ｃ）に
おいて生成したポリマーが基材表面に平行に接触しない
ように基材に振動を加えて基材周辺のガスやポリマーを
擾乱してやれば、生成する熱分解炭素の配向性が阻害さ
れ等方的になることを見出し１本発明を完成するに至っ
た。

本発明は、６００℃以上に加熱された基材に原料含有ガ
スを供給しながら、基材にＩ　ＫＨｚ以上の振動を加え
、該基材の表面に熱分解炭素を析出させる等方性熱分解
炭素の製造法に関する。

本発明において等方性熱分解炭素とは従来の手法では得
られなかったＢＡＦが５以下で光学的に不活性なものを
いう。基材は等方性熱分解炭素の生成を妨げないもので
あればよく特に制限はないが人造黒鉛のような不純物の
少ない炭素材が好ましい。基材の加熱温度が６００℃未
満では熱分解炭素の生成速度が小さい。１５００℃以上
が好ましい。基材の加熱方法については制限はない。

原料含有ガスは、メタン、エタン、プロパン。

アセチレン、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ガ
ソリン等の炭化水素、ハロゲン化炭化水素などの熱分解
によって炭素を遊離する原料ガスを窒素、水素などのキ
ャリアーガスで混合したものであり、加熱した基材上に
供給される。原料ガスはあらかじめ加熱しておいてもよ
い。混合ガス中の原料ガスの濃度、流量、圧力等につい
てはポリマーを形成し易い条件を選べばよく特に制限は
ない。

基材に加える振動をＩ　ＫＨｚ以上としたのは、ＩＫＨ
ｚ未満では基材周辺のポリマーやガスが攪乱されず、熱
分解炭素が配向して異方性が生ずるためである。振動は
圧電振動、電磁振動等特に制限はない。

（作用） 原料ガスの環化重合したポリマー（扁平状巨大芳香族分
子）は基材の振動によって基材周辺で攪乱されるから、
基材表面に配向することなく析出し、析出後の脱水素及
び重合反応によって形成される熱分解炭素は等方性とな
る。該熱分解炭素は従来法に比較して迅速に形成するこ
とが可能であり（最高で毎時数■）１曲部のキレン等が
なく肉厚で高密度、高強度のものが得られる。

（実施例） 次に本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第１図は本発明の一実施例における等方性熱分解炭素の
製法を示す図である。図において４は石英製の反応管、
１１は反応管の中央部に位置する円筒状の黒鉛ヒーター
で高周波誘導コイル１０で加熱され９反応管の中心に配
置された板状の人造黒鉛の基材１３を輻射熱で加熱する
ようになっている。１２は断熱材である。反応管４の右
端は排気ポンプ１８に、左端はガス導入管２及びテフロ
ン製の蛇腹９を介して振動源に接続されている。

基材１３への振動は２発振器５から発生する高周波交番
電圧をアンプ６で増幅し、圧電素子７と金属ブロック８
からなるランジュバン型振動子に印加して９発生する振
動を金属ブロックから黒鉛棒１４を介して伝達すること
によってなされる。尚。

図において３，３′は水の出入口を有する冷却器。

１５はスート、タール等の副生物を除去する副生物除去
室である。

等方性熱分解炭素は、バルブ１６を開き排気ポンプを作
動させて反応管４内を減圧し、三方コック１７及び弁１
６’を開いてガス導入口１及び１′からプロパン等の原
料ガス及び窒素等のキャリアーガスをガス導入管２内に
流入させて混合させながら反応管４の中に導入する。同
時に発振器５を作動させ基材１３を振動させ、高周波誘
導コイル１０に電流を通じ黒鉛ヒーターを発熱させ基材
１３を加熱することによって生成させる。

上記において窒素をキャリアーガスとし、原料ガスのプ
ロパンの濃度を３０体積チ、混合ガスの流量を毎分ＩＩ
！とじ９反応管４内の圧力を弁１６゜１６′を調整して
５０　Ｔｏｒｒに保ち１人造黒鉛板の基材１３の温度を
２０００℃、振動数を５００　ＫＨｚとして気相反応を
行わせたところ、基材表面に毎時１．５　ｆｆｌｌ１１
の速度で熱分解炭素が生成した。該熱分解炭素は、偏光
顕微鏡による観察の結果光学的に不活性であり、ＢＡＦ
が約１．１．密度がＺ１８９／ｃｍ３．結晶子の大きさ
Ｌｃ（００２）が１１　ＯＡであった。

実施例２ 第２図は本発明の他の実施例における等方性熱分解炭素
の製造法を示す図である。第１図との相違は装置を竪型
にし、るつぼ状の基材２１の周囲に複数本の棒状の黒鉛
ヒーター２２を並列に配し。

該黒鉛ヒーターに直接電流を通ずる抵抗加熱方式とした
こと、電磁石２６の磁界内に配した振動子２５を巻回す
るコイル２４に高周波交番電圧を印加し２発生する電磁
振動を金ＪＩ４ＩＭ薄板３０を介して黒鉛棒２３．黒鉛
棒２３に螺着した基材２１に伝達することである。基材
２１は人造黒鉛でるつぼ状に加工し、あらかじめ内面に
５０μｍの異方性熱分解炭素を被覆しておき、堆積する
等方性熱分解炭素が剥離し易いようにして用いるのがよ
い。

ガス導入口１９からアルゴンをガス混合器２７のベンゼ
ン２０内に吹込んでベンゼン濃度１５体積チとした混合
ガスを、実施例１と同様にして減圧した反応容器２８内
に毎分３１の速度で送入し。

反応容器内を４０　Ｔｏｒｒに保ち、振動子の振動数１
３　ＫＨｚ　、基材温度２０００℃で１０時間反応させ
たところ、基材２１の内面に厚さ１０　ｍａｎの等方性
熱分解炭素のるつぼが形成された。このるつぼは曲面部
の層間剥離や亀裂は見られず、ＢＡＦが約２．密度が２
−２１９／ＣＩＩＩｊ、　Ｌｃ（００２）が１２ＯＡで
あり、又７００°Ｃにおける酸化消耗速度は従来の人造
黒鉛の１１５０以下でｆＤ’）＆れた耐酸化性を有する
。

（発明の効果） 本発明によれば、従来のＣＶＤ法によっては得らｎなか
った高密度の等方性熱分解炭素を効率よく厚く形成する
ことができ、得られる等方性熱分解炭素は、亀裂がなく
不通気性であり、るつぼ等の耐熱性、′＃酸化性、耐食
性等が要求される製品に用いることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の実施例における等方性熱分
解炭素の製造法を説明する図である。 符号の説明 １．１′・・・ガス導入口　　　２・・・ガス導入管３
．３′・・・冷却器　　　　　４・・・反応管５・・・
発振器　　　　　　　６・・・アンプ７・・・圧電素子
　　　　　　８・・・金属ブロック９・・・蛇腹　　　
　　　　１０・・・高周波誘導コイル１１・・・黒鉛ヒ
ーター　　　１２・・・断熱材１３・・・基材　　　　
　　　１４・・・黒鉛棒１５・・・副生物除去室　　　
１６．　１６’・・・バルブ１７・・・三方コック　　
　　１８・・・排気ポンプ１９・・・ガス導入口　　　
　２０・・・ベンゼン２１・・・基材　　　　　　　２
２・・・黒鉛ヒーター２３・・・黒鉛棒　　　　　　　
２４・・・コイル２５・・・振動子　　　　　　２６・
・・電磁石２７・・・ガス混合器　　　　２８・・・反
応容器３０・・・金属製薄板 、・−′・ 代理人　弁理士　若　林　邦　彦 ５！−２図　　２１゜０．基ね

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、６００℃以上に加熱された基材に原料含有ガスを供
   給しながら、基材に１ＫＨｚ以上の振動を加え、該基材
   の表面に熱分解炭素を析出させることを特徴とする等方
   性熱分解炭素の製造法。