JPWO2014192725A1 - 導電材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【目的】 特に、摺動性を向上させることが可能な導電材料の製造方法及び導電材料を提供することを目的としている。【解決手段】 本発明における導電材料の製造方法は、カーボン材料と窒化ホウ素とを混合し加熱して、前記窒化ホウ素の一部のホウ素を前記カーボン材料にドープするとともに、前記窒化ホウ素の一部を残渣として残したホウ素含有カーボン材料を形成する工程、前記ホウ素含有カーボン材料を樹脂と混合する工程、を有することを特徴とするものである。【選択図】図１
Description
本発明は、ホウ素含有カーボン材料を有する導電材料の製造方法、及び導電材料に関する。
下記の各特許文献にはカーボン材料にホウ素化合物を添加してなる導電材料（抵抗材料）に関する発明が開示されている。各特許文献にはホウ素源として様々なホウ素化合物が開示されている。
ところで導電材料を摺動基板の導電層（抵抗層）として用いたとき、良好な導電性のみならず良好な摺動性も必要とされたが、従来では、摺動性を向上させるための導電材料の製造方法が確立していなかった。
本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、摺動性を向上させることが可能な導電材料の製造方法及び導電材料を提供することを目的としている。
本発明における導電材料の製造方法は、
カーボン材料と窒化ホウ素とを混合し加熱して、前記窒化ホウ素の一部のホウ素を前記カーボン材料にドープするとともに、前記窒化ホウ素の一部を残渣として残したホウ素含有カーボン材料を形成する工程、
前記ホウ素含有カーボン材料を樹脂と混合する工程、
を有することを特徴とするものである。
カーボン材料と窒化ホウ素とを混合し加熱して、前記窒化ホウ素の一部のホウ素を前記カーボン材料にドープするとともに、前記窒化ホウ素の一部を残渣として残したホウ素含有カーボン材料を形成する工程、
前記ホウ素含有カーボン材料を樹脂と混合する工程、
を有することを特徴とするものである。
本発明では、カーボン材料と混合するホウ素化合物として窒化ホウ素（ＢＮ）を用い、窒化ホウ素をカーボン材料に対するホウ素のドープ源にするとともに、窒化ホウ素の一部を残渣として残した。ホウ素のカーボン材料へのドープにより低抵抗化とともに、カーボン材料 や先行技術で用いられているホウ素、炭化ホウ素などの他のホウ素化合物よりも優れた摺動特性を有する窒化ホウ素の一部を残渣として残すことで、摺動性を向上させることができる。特に六方晶窒化ホウ素であると、容易にへき開する性質を持つため微粉となりやすく、カーボン材料へのドープが促進されるとともに、摺動特性が優れているホウ素化合物の中でも六方晶の窒化ホウ素はより優れているため、残渣として六方晶の窒化ホウ素が残った際により効果的に摺動性を向上させることができる。
本発明では、２０００℃以下で加熱することが好ましい。窒化ホウ素の融点（昇華）は２７００℃程度であるため、加熱温度を２０００℃以下に設定することで、ホウ素ドープと窒化ホウ素の一部の残渣とを実現でき、従来に比べて摺動性に優れた導電材料を製造することができる。
また本発明では、前記カーボン材料は繊維状、粒子状あるいは鱗片状であることが好ましい。
本発明によれば、ホウ素化合物として窒化ホウ素（ＢＮ）を用い、窒化ホウ素をカーボン材料に対するホウ素のドープ源とともに、一部を残渣として残した。ホウ素のカーボン材料へのドープにより低抵抗化とともに、窒化ホウ素の一部を残渣として残すことで、従来にくらべて 摺動性を向上させることができる。特に六方晶窒化ホウ素であると、容易にへき開する性質を持つため微粉となりやすく、カーボン材料へのドープが促進されるとともに、残渣として六方晶の窒化ホウ素が残った際に、より効果的に摺動性を向上させることができる。
本実施形態における導電材料は、カーボン材料と窒化ホウ素とを混合し加熱して得られたホウ素含有カーボン材料を樹脂に混合してなるものである。
本実施形態では、ホウ素含有カーボン材料を、放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）や真空加熱炉、不活性雰囲気炉にて製造することができる。
図１は、放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）の模式図である。
図１に示すように、放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）１は、上部電極２、下部電極３、試料保持容器（ダイ）４、水冷真空チャンバー５、及び、ＤＣパルス電源８等を有して構成される。
図１に示すように、放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）１は、上部電極２、下部電極３、試料保持容器（ダイ）４、水冷真空チャンバー５、及び、ＤＣパルス電源８等を有して構成される。
図１に示すように、上部電極２及び下部電極３の試料保持容器４側の先端には例えばカーボンからなる蓋材６，６が設けられている。なお試料保持容器４も例えば、カーボンで形成されている。
試料保持容器４内には、カーボン材料とドーパント材料である窒化ホウ素との混合材料７が充填されている。カーボン材料には繊維状、粒子状あるいは鱗片状等のほとんどの種類のものが使用でき、例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンブラック及びグラファイトを用いることができる。カーボン材料と窒化ホウ素との混合方法については既存の方法を選択することが出来る。
ここで混合材料７中に占めるホウ素の濃度は１〜１０ｗｔ％程度であることが好適である。
図１に示す水冷真空チャンバー５内を真空にし、ＤＣパルス電源８により、パルス電流を投入する。これにより、電極２，３から蓋材６を介して、混合材料７及び試料保持容器４にパルス電流が流れる。これにより、混合材料７に対する加熱温度を２０００℃程度にまで急上昇させる。そしてこの状態を数十分程度保持する。これにより、カーボン材料にホウ素がドープされる。
このようにして得られたホウ素含有カーボン材料を試料保持容器４から取り出す。そして粉末状のホウ素含有カーボン材料と樹脂とを混合し、ホウ素含有カーボン材料を樹脂中に分散させてなる導電材料（抵抗材料）を得ることができる。
ペースト状（インク状）の導電材料を基板上に印刷し、所定の加熱処理などを行うことで、基板上に導電層（抵抗層）を備えた摺動基板を形成することができる。
本実施形態では、ホウ素のドープ源として窒化ホウ素（ＢＮ）を用いたが、窒化ホウ素の融点（昇華）は２７００℃程度であるため、放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）での加熱温度が２０００℃程度まで上昇しても、全てのホウ素がカーボン材料にドープされるわけでなく、窒化ホウ素の一部が残渣として残される。
このようにカーボン材料にホウ素をドープすることで導電材料（導電層）の低抵抗化を促進できるとともに、カーボン材料よりも摺動特性に優れる窒化ホウ素を残渣として残すことで、摺動基板にプローブを摺動させた際に良好な摺動性を得ることが可能になる。摺動性については、ホウ素源としてＢ粉末やＢ４Ｃ、Ｂ２Ｏ３などを用いるよりも、窒化ホウ素（ＢＮ）を用いることで効果的に向上させることができる。
本実施形態では、ホウ素のドープ源となる窒化化合物と、残渣として残す窒化化合物とを異ならせる必要がなく、窒化ホウ素（ＢＮ）を用いれば足りる。したがって、簡単な製造方法により、ホウ素がドープしかつ窒化ホウ素の一部が残渣として残されたホウ素含有カーボンを得ることができる。
また窒化ホウ素は六方晶窒化ホウ素であることが好ましく、六方晶窒化ホウ素は、混合過程で、容易にへき開する性質を持つため微粉となりやすく、カーボン材料へのドープがより効果的に促進されるとともに、残渣として六方晶の窒化ホウ素が残った際に、より優れた摺動性を得ることができる。
混合材料７に対する加熱温度は２０００℃以下であることが好ましい。これにより、窒化ホウ素の一部を残渣として適切に残すことができ、より効果的に摺動性に優れた導電材料を製造することができる。なお加熱温度の下限値は１２００℃程度であることが好適である。単なる加熱では抵抗変化が見られないが１４００℃で抵抗が半減し、凡そ１２００℃位から効果があると推定されるからである。
本実施形態は、混合材料７に電流を流した状態で加熱して、カーボン材料にホウ素をドープするとともに、窒化ホウ素の一部を残渣として残す点に特徴的な構成があり、それを実現する手段を限定するものではないが、効果的な手段として、放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）を用いることが好適である。
（比抵抗値の測定）
カーボンの粉体抵抗値について測定した。
カーボンの粉体抵抗値について測定した。
（比較例）
黒鉛化カーボン（ホウ素ドープなし）
黒鉛化カーボン（ホウ素ドープなし）
（実施例）
カーボン材料（東海カーボン製 黒鉛化カーボン＃３８４５）に六方晶窒化ホウ素をホウ素が３ｗｔ％（混合材料中）となるように混合して放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）にて、真空中、２０００℃、３０分間の条件で処理したホウ素含有カーボン材料
カーボン材料（東海カーボン製 黒鉛化カーボン＃３８４５）に六方晶窒化ホウ素をホウ素が３ｗｔ％（混合材料中）となるように混合して放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）にて、真空中、２０００℃、３０分間の条件で処理したホウ素含有カーボン材料
図２は、実施例及び比較例における粉末圧縮密度と比抵抗値との関係を示すグラフである。
図２に示すように実施例及び比較例において、粉末圧縮密度が大きくなるほど比抵抗値の低下が見られた。
そして、図２に示すように、実施例は、比較例に比べて比抵抗値を、同じ粉末圧縮密度で見たときに必ず低くできることがわかった。このように実施例によれば、比較例に比べてカーボンの低抵抗化を図ることができるとわかった。また実施例において加熱温度を２０００℃程度とすれば低抵抗化でき、したがって低抵抗化に必要な加熱温度を比較的低温で設定できることがわかった。
（摺動性の測定）
次に、上記した実施例のホウ素含有カーボン材料をフェノール樹脂と混ぜてカーボンインクを形成した。このときカーボンインクに占めるホウ素含有カーボン材料を１０（ｖｏｌ％）、硬化触媒を１（ｖｏｌ％）、残りをフェノール樹脂とした。
次に、上記した実施例のホウ素含有カーボン材料をフェノール樹脂と混ぜてカーボンインクを形成した。このときカーボンインクに占めるホウ素含有カーボン材料を１０（ｖｏｌ％）、硬化触媒を１（ｖｏｌ％）、残りをフェノール樹脂とした。
また、上記した比較例のカーボン材料（ホウ素ドープなし）をフェノール樹脂と混ぜてカーボンインクを形成した。このときカーボンインクに占めるホウ素含有カーボン材料を１２．５（ｖｏｌ％）、硬化触媒を１（ｖｏｌ％）、残りをフェノール樹脂とした。
上記の実施例及び比較例の各カーボンインクをフェノール基板上に印刷して導電層を形成した。そして銀メッキが施されたプローブを導電層上に接触させ、その後、荷重５０ｇ、移動速度１ｍｍ／ｓｅｃ、及び測定距離を６ｍｍとしてプローブを導電層上に走行させ、静摩擦係数（μｓ）及び動摩擦係数（μｋ）をそれぞれ測定した。
その結果、実施例では、静摩擦係数（μｓ）が０．２２、動摩擦係数（μｋ）が０．０７であり、比較例では、静摩擦係数（μｓ）が０．３１、動摩擦係数（μｋ）が０．２であった。
このように実施例は、比較例よりも摩擦抵抗を小さくできることがわかった。これは、実施例では、カーボン材料に混合した六方晶窒化ホウ素の一部が、残渣として残されるためである。
（ＸＲＤ分析結果）
続いて実施例として、黒鉛化カーボンに窒化ホウ素（ＢＮ）の粉末（１〜３μｍ）を混合した混合材料を放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）にて加熱処理したホウ素含有カーボン材料（混合材料中のホウ素量：３ｗｔ％）を製造した。
続いて実施例として、黒鉛化カーボンに窒化ホウ素（ＢＮ）の粉末（１〜３μｍ）を混合した混合材料を放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）にて加熱処理したホウ素含有カーボン材料（混合材料中のホウ素量：３ｗｔ％）を製造した。
また比較例として、黒鉛化カーボンにＢ４Ｃの粉末を混合した混合材料を放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）にて加熱処理したホウ素含有カーボン材料（混合材料中のホウ素量：３ｗｔ％）を製造した。
そして実施例及び比較例の各ホウ素含有カーボン材料をＸＲＤ分析した。その結果が以下の表１，表２及び図３，図４に示されている。
表１及び図３は、実施例におけるＸＲＤ分析結果であり、表２及び図４は、比較例におけるＸＲＤ分析結果である。
表１、表２、図３及び図４に示すように実施例では、比較例と同様に、（００２）面、（００４）面、及び（１１０）面が検出されたが、比較例と違ってＢ４Ｃ由来の結晶面は検出されなかった。
１ 放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）
２、３ 電極
４ 試料保持容器（ダイ）
５ 水冷真空チャンバー
６ 蓋材
７ 混合材料
８ ＤＣパルス電源
２、３ 電極
４ 試料保持容器（ダイ）
５ 水冷真空チャンバー
６ 蓋材
７ 混合材料
８ ＤＣパルス電源
本発明は、ホウ素含有カーボン材料を有する導電材料の製造方法に関する。
本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、摺動性を向上させることが可能な導電材料の製造方法を提供することを目的としている。
本発明における導電材料の製造方法は、
摺動基板の導電層に用いられる導電材料の製造方法であって、
カーボン材料と窒化ホウ素とを混合し加熱して、前記窒化ホウ素の一部のホウ素を前記カーボン材料にドープするとともに、前記窒化ホウ素の一部を残渣として残したホウ素含有カーボン材料を形成する工程、
前記ホウ素含有カーボン材料を樹脂と混合する工程、
を有することを特徴とするものである。
摺動基板の導電層に用いられる導電材料の製造方法であって、
カーボン材料と窒化ホウ素とを混合し加熱して、前記窒化ホウ素の一部のホウ素を前記カーボン材料にドープするとともに、前記窒化ホウ素の一部を残渣として残したホウ素含有カーボン材料を形成する工程、
前記ホウ素含有カーボン材料を樹脂と混合する工程、
を有することを特徴とするものである。
本発明では、１２００℃から２０００℃の温度範囲内で加熱することが好ましい。窒化ホウ素の融点（昇華）は２７００℃程度であるため、加熱温度を２０００℃以下に設定することで、ホウ素ドープと窒化ホウ素の一部の残渣とを実現でき、従来に比べて摺動性に優れた導電材料を製造することができる。
本発明における導電材料の製造方法は、
摺動基板の導電層に用いられる導電材料の製造方法であって、
カーボン材料と窒化ホウ素とを、この混合材料中のホウ素の濃度を１〜１０ｗｔ％、あるいは少なくとも３ｗｔ％となるように混合し加熱して、前記窒化ホウ素の一部のホウ素を前記カーボン材料にドープするとともに、前記窒化ホウ素の一部を残渣として残したホウ素含有カーボン材料を形成する工程、
前記ホウ素含有カーボン材料を樹脂と混合する工程、
を有することを特徴とするものである。
摺動基板の導電層に用いられる導電材料の製造方法であって、
カーボン材料と窒化ホウ素とを、この混合材料中のホウ素の濃度を１〜１０ｗｔ％、あるいは少なくとも３ｗｔ％となるように混合し加熱して、前記窒化ホウ素の一部のホウ素を前記カーボン材料にドープするとともに、前記窒化ホウ素の一部を残渣として残したホウ素含有カーボン材料を形成する工程、
前記ホウ素含有カーボン材料を樹脂と混合する工程、
を有することを特徴とするものである。
Claims (5)
- カーボン材料と窒化ホウ素とを混合し加熱して、前記窒化ホウ素の一部のホウ素を前記カーボン材料にドープするとともに、前記窒化ホウ素の一部を残渣として残したホウ素含有カーボン材料を形成する工程、
前記ホウ素含有カーボン材料を樹脂と混合する工程、
を有することを特徴とする導電材料の製造方法。 - 前記窒化ホウ素は六方晶窒化ホウ素である請求項１記載の導電材料の製造方法。
- ２０００℃以下で加熱する請求項１又は２に記載の導電材料の製造方法。
- 前記カーボン材料は繊維状、粒子状あるいは鱗片状である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の導電材料の製造方法。
- カーボン材料にホウ素がドープされており、前記ホウ素のドープ源としての窒化ホウ素の一部が残渣として残されていることを特徴とする導電材料。
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| JP2016162959A (ja) * | 2015-03-04 | 2016-09-05 | アルプス電気株式会社 | 抵抗体及び該抵抗体を用いた可変抵抗器 |
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| JP2002533551A (ja) * | 1998-12-23 | 2002-10-08 | デグサ アクチエンゲゼルシャフト | ドープされたカーボンブラック |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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