JP2007007814A - ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料およびその利用 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳｉＣ基材上に高配向のカーボンナノチューブが密に形成された領域を有する複合材料であって、良好な耐摩耗性および／または衝撃吸収特性を示すＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を提供する。
【解決手段】 本発明によると、ＳｉＣ基材上に該基材表面から立ち上がる多数のカーボンナノチューブを有するＣＮＴ領域が形成されているＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料であって、該ＣＮＴ領域には前記カーボンナノチューブが高配向かつ高密度に形成されており、前記ＣＮＴ領域に付与される機械的エネルギー量の変化によって該領域の摩擦係数を異ならせることができる、ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料が提供される。例えば、１０ｎＮ〜１００ｎＮの範囲の垂直応力に対して摩擦係数が三段階に変化する複合材料が提供される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ＳｉＣ（炭化珪素）基板上に多数のカーボンナノチューブが高配向かつ高密度に設けられている複合材料および該材料を利用する技術に関する。

ＳｉＣ基材上に高配向のカーボンナノチューブが密に形成された構成の複合材料が知られている。特許文献１には、このような材料を利用した転動装置が記載されている。カーボンナノチューブに関する他の従来技術文献として特許文献２〜４が挙げられる。

特開２００５− ２４０２５号公報 特開２００４−１１３４３５号公報 特開２００４−２５６５９２号公報 特開２００３−２３９９７７号公報

本発明は、ＳｉＣ基材上に高配向のカーボンナノチューブが密に形成された領域を有する複合材料であって、良好な耐摩耗性および／または衝撃吸収特性を示すＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を提供する。本発明の他の一つの目的は、かかる材料特性を効果的に生かしたＳｉＣ／カーボンナノチューブの使用方法を提供することである。

本発明によると、ＳｉＣ基材上に該基材表面から立ち上がる多数のカーボンナノチューブを有するＣＮＴ領域が形成されたＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料が提供される。前記ＣＮＴ領域には前記カーボンナノチューブが高配向かつ高密度に形成されている。そして、前記ＣＮＴ領域に付与される機械的エネルギー量の変化によって、該領域の摩擦係数を異ならせることができる。
一般に摩擦係数は摩擦力と垂直応力との比として求められる。したがって通常の材料は、垂直応力の変化に対して、摩擦力は変化するが摩擦係数は維持される。本発明の複合材料は、外部から付与されるエネルギー量（例えば、垂直荷重と変位との積）の変化に対してＣＮＴ領域の摩擦係数を異ならせ得るという特異な性質を有するものである。このことは、該複合材料が、前記ＣＮＴ領域に加わる外力（例えば、他の材料との摺動や衝突等により加わり得る）に対して通常の材料とは異なる挙動を示し得ることを意味している。
本発明者の検討によれば、本発明に係るＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の有する上記性質は、ＣＮＴ領域に構成する多数のカーボンナノチューブが適度な撓み性（弾性変形）を示すことに関連するものと推察される。このような複合材料によると、該カーボンナノチューブの撓みを利用して、該ＣＮＴ領域に加わる外力を効果的に分散させることができる。したがって、上記特性を有するＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料は、優れた耐摩耗性および／または衝撃吸収特性を示すものであり得る。

ここに開示される複合材料の好ましい一つの態様では、前記ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均直径が凡そ１〜１０ｎｍ（好ましくは凡そ２〜７ｎｍ、より好ましくは凡そ３〜５ｎｍ）の範囲にある。また、該カーボンナノチューブの平均長さが凡そ３０〜５００ｎｍ（好ましくは凡そ５０〜３００ｎｍ）の範囲にある。かかる形状のカーボンナノチューブにより構成されたＣＮＴ領域によると、該領域を有するＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料において、より良好な耐摩耗性および／または衝撃吸収特性が発揮され得る。

ここに開示される複合材料の他の一つの好ましい態様では、前記ＣＮＴ領域に、前記カーボンナノチューブが凡そ１×１０⁸本／ｍｍ²以上（典型的には凡そ１×１０⁸本／ｍｍ²〜１×１０¹¹本／ｍｍ²、好ましくは凡そ１×１０⁹本／ｍｍ²〜１×１０¹¹本／ｍｍ²、例えば１０¹⁰本／ｍｍ²オーダー）の密度で形成されている。このような密度でカーボンナノチューブが形成されたＣＮＴ領域によると、該領域を有するＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料において、より良好な耐摩耗性および／または衝撃吸収特性が発揮され得る。

ここに開示される複合材料の他の一つの好ましい態様では、前記ＣＮＴ領域に付与される凡そ１０ｎＮ〜１００ｎＮ（ナノニュートン）の範囲の垂直応力によって該領域の摩擦係数を段階的に異ならせることができる。このような性質を有するＣＮＴ領域を有するＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料によると、前記耐摩耗性および／または衝撃吸収特性がより適切に発揮され得る。

ここに開示される複合材料の他の一つの好ましい態様では、前記ＣＮＴ領域が、原ＳｉＣ基材の表面部から珪素原子を除去することにより形成されたものである。換言すれば、前記ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブに含まれる炭素原子の一部または実質的に全部として、原ＳｉＣ基材の表面部を構成していた炭素原子が利用されている。このようにして形成されたカーボンナノチューブにより構成されたＣＮＴ領域は、該カーボンナノチューブのＳｉＣ基材に対する結合力（密着性）が高い。したがって、かかるＣＮＴ領域を有するＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料によると、より良好な耐摩耗性および／または衝撃吸収特性が発揮され得る。

本発明によると、また、前述したいずれかのＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を耐摩耗材として用いたデバイスが提供される。そのようなデバイスの好ましい一つの態様では、該デバイスの全体が１０ｍｍ程度またはそれ以下のサイズであるか、または該デバイスの一部（例えば、該デバイスの使用目的に鑑みて比較的影響の大きい部分）が１０ｍｍ程度またはそれ以下のサイズである。本発明によると、また、前記複合材料を耐摩耗材として用いたマイクロデバイスが提供される。ここで「マイクロデバイス」とは、該デバイスの全体がμｍオーダー以下のサイズであるデバイスに限らず、該デバイスの一部（例えば、該デバイスの使用目的に鑑みて比較的影響の大きい部分）がμｍオーダー以下のサイズを有するデバイスをも含む意味である。したがって、該デバイスの全体または一部がｎｍオーダーのサイズを有するデバイス（ナノデバイス）は、ここでいうマイクロデバイスの概念に包含され得る。
前記ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料は前述のように優れた耐摩耗性を示す。したがって、該複合材料は各種デバイス用の耐摩耗材として好適である。また、前記ＣＮＴ領域はカーボンナノチューブにより構成されているので、μｍオーダー以下のサイズにおいても所望の耐摩耗性を与えることが可能である。したがって、該複合材料はマイクロデバイス用の耐摩耗材として好適である。

本発明によると、また、前述したいずれかのＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を衝撃吸収材として用いたデバイスが提供される。そのようなデバイスの好ましい一つの態様では、該デバイスの全体または一部が１０ｍｍ程度またはそれ以下のサイズである。本発明によると、また、該複合材料を衝撃吸収材として用いたマイクロデバイスが提供される。
前記ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料は前述のように優れた衝撃吸収特性を示す。したがって、該複合材料は各種デバイス用の衝撃吸収材として好適である。また、該特性はカーボンナノチューブを構成要素とするＣＮＴ領域により発揮されるので、μｍオーダー以下のサイズであっても所望の衝撃吸収性能を付与することが可能である。したがって、該複合材料はマイクロデバイス用の衝撃吸収材として好適である。

上述したいずれかのＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料は、ＣＮＴ領域に付与される機械的エネルギー量の変化によって該領域の摩擦係数を異ならせることができる。このような複合材料によると、上記エネルギー量の変化を利用して摩擦抵抗を調節（制御）することができる。したがって、本発明によると、上述したいずれかのＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を摩擦抵抗調節（制御）材として用いた各種デバイス（好ましくはマイクロデバイス）が提供される。

本発明によると、また、ＳｉＣ基材上に、該基材表面から立ち上がる多数のカーボンナノチューブを有するＣＮＴ領域が形成されているＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の使用方法が提供される。その使用方法は、該ＣＮＴ領域に付与される機械的エネルギー量の変化によって生じる該領域の摩擦係数の変化を利用することを特徴とする。かかる使用方法の好適な一態様として、ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を摩擦抵抗調節材として利用する態様が挙げられる。さらに、該摩擦抵抗調節材を各種デバイス（好ましくはマイクロデバイス）として用いる態様が挙げられる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

本発明により提供されるＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の全体形状およびサイズは特に限定されず、該複合材料の用途に応じて適切な形状およびサイズを適宜選択することができる。例えば、板状（典型的には平板状）、棒状、筒状、塊状、粒子状等の全体形状を有する複合材料であり得る。かかる複合材料のうちＣＮＴ領域が形成される範囲は、ＳｉＣ基材の一部表面であってもよく実質的に全表面であってもよい。このＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を構成するＳｉＣ基材は、ＳｉＣ単結晶からなるものであってもよく、多結晶のＳｉＣ基材であってもよい。該基材を構成するＳｉＣの結晶構造は、α型（α−ＳｉＣ）であってもよく、β型（β−ＳｉＣ）であってもよい。あるいは、これらの結晶構造が混在していてもよい。ＳｉＣ基材のうちＣＮＴ領域を有する面（結晶面）は特に限定されない。後述のようにＳｉＣの表面分解によりＣＮＴ領域を形成する場合には、該ＣＮＴ領域を設ける面として、α−ＳｉＣの（０００１）面および／またはβ−ＳｉＣの（１１１）面を好ましく選択し得る。これらの結晶面は、該結晶面にほぼ垂直な方向によく配向したカーボンナノチューブを形成するのに適している。

ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均直径は、例えば凡そ１〜１０ｎｍの範囲であり得る。該平均直径が凡そ２〜７ｎｍの範囲にあることが好ましく、凡そ３〜５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。大まかな傾向として、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均直径が大きくなると該ナノチューブを撓ませるために要するエネルギー量は多くなり、該平均直径が小さくなると該ナノチューブを撓ませるために要するエネルギー量は少なくなる。このため、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均直径が上記範囲よりも大きすぎると、該カーボンナノチューブを撓ませるために要するエネルギー量が多くなりすぎて、耐摩耗性および／衝撃吸収特性が低下傾向となる場合がある。あるいは、摩擦係数を変化させるために必要なエネルギー量が多くなりすぎた結果、予定した使用条件においてＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の特性が十分に発揮されず、本発明の適用効果が少なくなる場合がある。一方、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均直径が上記範囲よりも小さすぎると、該ナノチューブを撓ませるために要するエネルギー量が少なすぎて、耐摩耗性および／衝撃吸収特性が十分に発揮されない場合がある。

ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均長さは、例えば凡そ３０〜５００ｎｍの範囲であり得る。該平均長さが凡そ５０〜３００ｎｍの範囲にあることが好ましい。大まかな傾向として、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均長さが大きくなる（長くなる）と該ナノチューブを撓ませるために要するエネルギー量が小さくなり、該平均長さが小さくなる（短くなる）と該ナノチューブを撓ませるために要するエネルギー量は多くなる。このため、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均長さが上記範囲よりも小さすぎると、該カーボンナノチューブを適度に撓ませるために要するエネルギー量が多くなりすぎて、耐摩耗性および／衝撃吸収特性が低下傾向となる場合がある。あるいは、摩擦係数を変化させるために必要なエネルギー量が多くなりすぎた結果、予定した使用条件においてＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の特性が十分に発揮されず、本発明の適用効果が少なくなる場合がある。一方、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均長さが上記範囲よりも大きすぎると、該ナノチューブを撓ませるために要するエネルギー量が少なすぎて、耐摩耗性および／衝撃吸収特性が十分に発揮されない場合がある。

前述のように、前記ＣＮＴ領域に付与されるエネルギー量の変化によって該領域の摩擦係数が異なるという事象は、該ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの撓みによって生じるものと考えられる。したがって、該領域を構成するカーボンナノチューブは、エネルギーの付与によって適切に撓み得るように、該エネルギーが付与されていない状態において、ＳｉＣ基材の表面から立ち上がる方向に配向している必要がある。ここで「立ち上がる方向」とは、ＳｉＣ基材の表面から離隔する方向をいう。ＳｉＣ基材の表面とカーボンナノチューブの配向方向とのなす角度が凡そ４５〜９０度の範囲にあることが好ましく、凡そ６０〜９０度の範囲がより好ましい。ＳｉＣ基材の表面とカーボンナノチューブの配向方向とのなす角度が凡そ８０〜９０度の範囲にある（典型的には、ＳｉＣ基材の表面に対してほぼ垂直である）ことが特に好ましい。かかる方向に配向したカーボンナノチューブにより構成されたＣＮＴ領域は、上記エネルギー量の変化に対して段階的に異なる摩擦係数を示すという特性を発揮するために好適である。

ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブは高配向かつ高密度に形成されている。この「高配向」の程度としては、例えば、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの全体の配向方向（平均的な配向方向、典型的には基板表面にほぼ垂直な方向）に対して、該領域を構成するカーボンナノチューブの５０％以上（より好ましくは７０％以上、さらに好ましくは９０％以上）の本数が、前記配向方向から４５°以下（より好ましくは３０°以下、更に好ましくは１５°以下）の角度範囲に収まる程度の配向性を有することが好ましい。また、前記「高密度」の程度としては、前記ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの密度が１×１０⁸本／ｍｍ²以上（典型的には凡そ１×１０⁸本／ｍｍ²〜１×１０¹¹本／ｍｍ²、好ましくは凡そ１×１０⁹本／ｍｍ²〜１×１０¹¹本／ｍｍ²、例えば１００億本／ｍｍ²〜１０００億本／ｍｍ²）である程度の密度が好ましい。後述のようにＳｉＣの表面分解によりＣＮＴ領域を形成する場合には、本発明の目的にとり十分に高密度かつ高配向のカーボンナノチューブが容易に形成され得る。

なお、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの好ましい形状および形成密度は、該ＣＮＴ領域を有する複合材料の用途によっても異なり得る。例えば、凡そ１０ｎＮ〜１００ｎＮの範囲の垂直応力（垂直荷重）によってＣＮＴ領域の摩擦係数を段階的に異ならせることが望ましい用途においては、平均直径３ｎｍ〜５ｎｍかつ平均長さ５０ｎｍ〜３００ｎｍのカーボンナノチューブが１×１０⁹本／ｍｍ²〜１×１０¹¹本／ｍｍ²の密度で形成されたＣＮＴ領域を有する複合材料が好ましい。

かかる構成のＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を製造する方法としては、所望の形状の原ＳｉＣ基材の表面部（ＣＮＴ領域を形成しようとする部分）から珪素原子（Ｓｉ）を除去する方法を用いることができる。いわゆる炭化珪素（ＳｉＣ）の表面分解法が特に好ましく採用される。この表面分解法は、ＳｉＣ結晶を高度の減圧下で該ＳｉＣ結晶から珪素原子が失われる程度の温度に加熱するか、あるいは珪素原子の除去を促進し得るガス（ＣＯガス、ＣＯ_２ガス、フッ素ガス、ＣＦ_４ガス、酸素ガス、水蒸気等）が存在する雰囲気下で該ＳｉＣ結晶から珪素原子が失われる程度の温度に加熱することにより実施することができる。例えば、ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の作製に用いる原ＳｉＣ基材を、数Ｐａ〜１０^-8Ｐａ程度の圧力で、１３００〜１９００℃程度の温度に１〜３０分程度加熱するとよい。あるいは、上記原ＳｉＣ基材を、ＣＯガス分圧が数Ｐａ〜１０^-8Ｐａ程度の雰囲気下で、１３００〜１９００℃程度の温度に１〜３０分程度加熱するとよい。このときの圧力、加熱雰囲気、加熱条件（昇温速度、最高温度、降温速度等の温度プロファイルを含む概念である。）および加熱時間等のうち一または二以上の条件によって、得られるカーボンナノチューブの形状および／または形成密度が上述した好ましい範囲となるように調節することが可能である。

ここに開示されるＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料のＣＮＴ領域が垂直応力の変化によって異なる摩擦係数を示すことは、例えば、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）用のプローブを用いて垂直荷重（垂直応力）と摩擦力との関係を測定することにより把握することができる。例えば、バネ定数０．１２Ｎ／ｍ程度のＶ型窒化シリコン製カンチレバーを使用して、摺動速度０．５μｍ／秒の条件で、垂直荷重（垂直応力）を変化させて摩擦力を測定することにより、該垂直荷重の変化に対して摩擦力の値をプロットすることができる。そして、ある垂直荷重の範囲における摩擦力の推移から摩擦係数の値を求めることができる。より具体的には、ある垂直荷重の範囲における摩擦力のプロットから得られる直線の傾き（すなわち比例係数）を摩擦係数の値として採用することができる。

本発明によると、例えば、垂直応力１０ｎＮ〜１００ｎＮの範囲（典型的には、垂直応力１０ｎＮ〜８０ｎＮの範囲）で摩擦係数が少なくとも二段階に変化するＣＮＴ領域を備えたＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料が提供され得る。例えば、上記垂直応力の範囲のうち一部範囲（例えば、垂直応力が凡そ３０ｎＮまでの範囲。以下「低荷重領域」ともいう。）における摩擦係数よりも、該範囲よりも垂直応力の大きい範囲（例えば、垂直応力が凡そ３０ｎＮ〜５０ｎＮ未満の範囲。以下、「中荷重領域」ともいう。）における摩擦係数が大きい複合材料が提供される。さらに、前記第二の範囲よりも垂直応力が大きい範囲（例えば、垂直応力が凡そ５０ｎＮよりも大きい範囲。以下、「高荷重領域」ともいう。）では再び摩擦係数が小さくなる複合材料であってもよい。すなわち、垂直応力の増加につれてＣＮＴ領域の摩擦係数が小、大、小の順に三段階に変化する複合材料であってもよい。

本発明の範囲を特に限定するものではないが、垂直応力の増加に対してＣＮＴ領域の摩擦係数が上記のように段階的に変化する理由は例えば以下のように推察される。すなわち、図１に模式的に示すように、ＳｉＣ基板１０上に形成されたＣＮＴ領域２０の摩擦係数をプローブ３０を用いて測定する場合、相対的に垂直応力の小さい範囲（低荷重領域）では、ＣＮＴ領域２０を構成する多数のカーボンナノチューブ２２の先端を擦るようにプローブ３０が移動する。この範囲では、垂直応力が増加してもプローブ３０の高さは略一定である。また、該垂直応力の増加にともなって摩擦力は概ね直線的に増加する。
そして、垂直応力がある値よりも大きくなると、図２に模式的に示すように、該垂直応力によってカーボンナノチューブ２２が撓む（弾性変形する）ようになる。かかる現象は、プローブ３０の高さが明白に減少することによっても把握され得る。この垂直応力の範囲（中荷重領域）では、プローブ３０はカーボンナノチューブ２２を弾性変形させつつ移動する。この弾性変形に要する力がプローブ３０の移動に対する抵抗となることから、低荷重領域に比べて摩擦係数が増加するものと考えられる。
さらに垂直応力が大きくなると、図３に模式的に示すように、撓んだ状態のカーボンナノチューブ２２を擦るようにプローブ３０が移動するようになる。この垂直応力の範囲（高荷重領域）では、中荷重領域とは異なり、カーボンナノチューブ２２を新たに撓ませるために要する力は不要か、少なくとも中荷重領域に比べれば小さくてすむ。したがって、この高荷重領域では中荷重領域に比べて摩擦係数が小さくなるものと考えられる。

本発明により提供されるＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料において、ＣＮＴ領域の摩擦係数を異ならせる要因たる機械的エネルギーの典型例としては垂直応力（垂直荷重または垂直抗力ともいえる。）が挙げられる。例えば、１０ｎＮ〜１００ｎＮ程度の範囲の垂直応力またはこれに相当する量の機械的エネルギーによって摩擦係数を異ならせ得る（換言すれば、この範囲の機械的エネルギーによってＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブが適度に撓み得る）ＣＮＴ領域を有する複合材料が好ましい。

本発明に係るＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料は、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブが適度な撓み性を示すことから、例えば、衝撃吸収材として有用なものとなり得る。すなわち、ここに開示される発明には、上述したいずれかのＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料からなる衝撃吸収材、そのような衝撃吸収材を備えるデバイス（例えばマイクロデバイス）、および、該ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の衝撃吸収材としての利用が含まれる。該衝撃吸収材は、例えば磁気記録装置の読み取りヘッドに取り付けられて、該読み取りヘッドと記録媒体（ディスク）との接触時の衝撃を緩和することができる。このような磁気記録装置の読み取りヘッドは、本発明により提供されるデバイス（典型的にはマイクロデバイス）の好ましい一例である。

また、本発明に係るＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料は、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブが適度な撓み性を示すことから、例えば、耐摩耗材として有用なものとなり得る。すなわち、ここに開示される発明には、上述したいずれかのＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料からなる耐摩耗材、そのような耐摩耗材を備えるデバイス（例えばマイクロデバイス）、および、該ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の耐摩耗材としての利用が含まれる。該耐摩耗材は、例えば半導体装置の製造プロセス等のように、僅かな摩耗カスの発生であっても問題となり得る場面で用いられるデバイスとして好適である。例えば、シリコンウェハの位置決めに用いられるモータのヘッド部分等に好ましく適用され得る。このようなシリコンウェハの位置決め用モータ（特に該モータのヘッド部分）は、本発明により提供されるデバイス（典型的にはマイクロデバイス）の好ましい一例である。

また、本発明に係るＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料は、該ＣＮＴ領域に付与される機械的エネルギー量の変化によって生じる該領域の摩擦係数の変化を利用して、例えば、かかるエネルギー量によって摩擦抵抗を調節することのできる摩擦抵抗調節材として有用なものとなり得る。すなわち、ここに開示される発明には、上述したいずれかのＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料からなる摩擦抵抗調節材、そのような摩擦抵抗調節材を備えるデバイス（例えばマイクロデバイス）、および、該ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の摩擦抵抗調節材としての利用が含まれる。例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）またはＮＥＭＳ（Nano
Electro Mechanical Systems）用の各種アクチュエータ、超音波モータの駆動部等は、該摩擦抵抗調節材を備えるデバイス（典型的にはマイクロデバイス）の好適例である。

また、本発明に係るＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料は、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブが適度な撓み性を示すことから、該ＣＮＴ領域の摩擦係数を著しく小さくすることができる。したがって該複合材料は、例えば、各種工作機械において高精度に位置決めを行うための基準となるリニアスケールの摺動部に好ましく適用され得る。従来、このような摺動部には摩擦抵抗軽減のため油膜あるいは油膜付ベアリングが用いられているので、該油膜を形成する潤滑油自体の汚染や該潤滑油による周囲の汚染等の不都合が生じがちであった。本発明の複合材料をリニアスケールの摺動部に適用することにより、該摺動部に潤滑油を使用することなく、実用上十分に低い摩擦抵抗を示すリニアスケールを実現することができる。

ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料は、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブが適度な撓み性を示すとともに該カーボンナノチューブのＳｉＣ基材に対する結合力が高く、かつ、前記ＣＮＴ領域に該カーボンナノチューブが高密度（典型的には、１×１０⁸本以上）に形成されており、かつ、前記ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブが微細（典型的には、平均直径１〜１０ｎｍ）に形成されていることから、各種光学レンズ等のように高精度な仕上げ表面が要求される物品の仕上げ研磨工程に用いられる研磨器として有用である。例えば、従来のバフ研磨のような仕上げ研磨工程では、研磨器から研磨材自体が剥離（脱落）し、その剥離した研磨材が製品の品質に好ましからざる影響を与えることを回避するために、仕上げ研磨後に被研磨物（光学レンズ等）をよく清浄する、研磨器を頻繁に交換する、等の対応が必要であった。ここに開示される複合材料を研磨器として用いることにより、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブ（該研磨器における研磨材として機能し得る。）のＳｉＣ基材に対する結合力が高いことから、上記洗浄および／または研磨器交換の頻度を大幅に低減することが可能である。また、例えばＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブが微細（典型的には、平均直径１〜１０ｎｍ）な繊維であるので、従来の研磨材よりもさらに平滑な仕上げ面（研磨面）を得ることが可能である。また、本発明に係る複合材料を研磨器に適用するにあたっては、前記ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均直径、平均長さ、形成密度、先端形状等を適宜選定することにより、目的に応じた仕上げ状態（平滑さ等）の研磨面を形成することができる。また、かかる選定によって研磨効率を調整することが可能である。例えば、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの先端が開口している複合材料を用いることにより、研磨速度をより高めることができる。一方、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの先端が球状に閉口している複合材料を用いることにより、より平滑な研磨面を得ることが可能である。なお、カーボンナノチューブの先端を開口する方法、および、カーボンナノチューブの先端を球状に閉口する方法としては、従来公知の各種の方法を適宜採用することができる。

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。

［ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の作製］
サンプルＡ：
原ＳｉＣ基材としては、表面に（０００−１）面が表れている平板状のα−ＳｉＣ単結晶を使用した。この原ＳｉＣ基材を真空炉内に配置して、圧力１０^-2ＰａのＣＯガス雰囲気下において１５００℃に３０分間加熱した。これにより原ＳｉＣ基材の表面において主として下記式（１）で表される反応（ＳｉＣの表面分解）を進行させて、ＳｉＣ基材の表面（（０００−１）面）にＣＮＴ領域が形成されたサンプルを得た。以下、このサンプルを「サンプルＡ」という。

このサンプルＡのＣＮＴ領域を透過型電子顕微鏡により観察したところ、該領域には、ＳｉＣ基材の表面にほぼ垂直な方向によく配向したカーボンナノチューブが約３００億本／ｍｍ²の密度で形成されていた。それらのカーボンナノチューブの平均直径は約５ｎｍであり、平均長さは約５０ｎｍであった。

サンプルＢ：
原ＳｉＣ基材の表面分解を行う圧力、温度および時間をそれぞれ０．２Ｐａ、１５００℃および１０時間として、ＳｉＣ基材の表面にＣＮＴ領域が形成されたサンプル（以下、これを「サンプルＢ」という。）を得た。
このサンプルＢのＣＮＴ領域を透過型電子顕微鏡により観察したところ、該領域には、ＳｉＣ基材の表面にほぼ垂直な方向によく配向したカーボンナノチューブが約８００億本／ｍｍ²の密度で形成されていた。それらのカーボンナノチューブの平均直径は約３ｎｍであり、平均長さは約２１０ｎｍであった。

サンプルＣ：
原ＳｉＣ基材の表面分解を行う圧力、温度および時間をそれぞれ０．２Ｐａ、１７００℃および６０分とした点以外はサンプルＡと同様にして、ＳｉＣ基材の表面にＣＮＴ領域が形成されたサンプル（以下、これを「サンプルＣ」という。）を得た。
このサンプルＢのＣＮＴ領域を透過型電子顕微鏡により観察したところ、該領域には、ＳｉＣ基材の表面にほぼ垂直な方向によく配向したカーボンナノチューブが約３００億本／ｍｍ²の密度で形成されていた。それらのカーボンナノチューブの平均直径は約５ｎｍであり、平均長さは約３００ｎｍであった。

［摩擦特性の評価］
上記で得られたサンプルＡについて、ＡＦＭ用プローブを用いて下記条件で垂直荷重（Normal load）を変化させ、その垂直荷重の変化（負荷過程）に対する摩擦力（Friction
force）および高さの変化（Height difference）を測定した。
カンチレバー：Ｖ型、窒化シリコン製、バネ定数約０．１２Ｎ／ｍ（撓み）；
垂直荷重：約２ｎＮ〜８０ｎＮ；
プローブ摺動速度：０．５μｍ／秒；
プローブ摺動距離：０．５μｍ。

それらの測定結果を図４に示す。この図４において、丸で示したプロットは垂直荷重に対する摩擦力（左側の軸）の推移を示し、三角で示したプロットは垂直荷重に対する高さの変化（右側の軸）の推移を示している。この図から判るように、低荷重領域（ここでは凡そ３０ｎＮまでの範囲）および高荷重領域（ここでは凡そ５０ｎＮ以上の範囲）における摩擦係数（点線の傾き）に比べて、中荷重領域（ここでは凡そ４０〜５０ｎＮの範囲）の摩擦係数は明らかに大きい。また、低荷重領域から中荷重領域に移行する際および中荷重領域から高荷重領域に移行する際にはプローブの高さが大きく変化している。これらの高さの変化は、ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの撓み（図１〜図３参照）が摩擦係数を変化させるということを支持している。

また、上記で得られたサンプルＢおよびサンプルＣについても、サンプルＡと同様にして垂直荷重の変化（負荷過程）に対する摩擦力および高さの変化を測定した。サンプルＢについての測定結果を図５に示す。丸で示したプロットは垂直荷重に対する摩擦力（左側の軸）の推移を示し、三角で示したプロットは垂直荷重に対する高さの変化（右側の軸）の推移を示している。この図から判るように、低荷重領域（ここでは凡そ２５ｎＮまでの範囲）および高荷重領域（ここでは凡そ４５ｎＮ以上の範囲）における摩擦係数（点線の傾き）に比べて、中荷重領域（ここでは凡そ３０〜４０ｎＮの範囲）の摩擦係数は明らかに大きい。また、低荷重領域から中荷重領域に移行する際および中荷重領域から高荷重領域に移行する際にはプローブの高さが比較的大きく変化している。サンプルＣについても概ね同様の結果が得られた。

図４（サンプルＡ）と図５（サンプルＢ）とを比較すると、低荷重領域と中荷重領域との摩擦係数の違いおよび中荷重領域と高荷重領域との摩擦係数の違いはサンプルＡのほうが明らかに大きい。また、低荷重領域から中荷重領域に移行する荷重および中荷重領域から高荷重領域に移行する荷重は、いずれもサンプルＡのほうが高い。これらの結果は、サンプルＡのＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均長さがサンプルＢに比べて短く、かつ、サンプルＡのＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均直径がサンプルＢに比べて大きいことに関連していると考えられる。すなわち、サンプルＡのＣＮＴ領域はサンプルＢに比べてより短くかつ太いカーボンナノチューブにより構成されていることから、該カーボンナノチューブを撓ませるためにより大きな機械的エネルギー（ここでは垂直荷重）を要し、このことが摩擦係数が変化する荷重およびその変化の程度に影響したものと考えられる。

［耐摩耗性評価］
サンプルＡ〜ＣのＣＮＴ領域に、０．４ＭＰａの空気で加速したダイヤモンド粒子（平均粒径２μｍ）を６０秒間吹き付けた。このとき吹き付けられたダイヤモンド粒子の数は概ね１億〜５億個程度である。比較のため、ＳｉＣ基板の表面に常法によりサファイア膜を作製したサンプル（以下、「サンプルＸ」という。）およびダイヤモンド膜を作製したサンプル（以下「サンプルＹ」という。）についても同様にダイヤモンド粒子の吹きつけを行った。そして、吹きつけの前後の質量変化を測定することにより、各サンプルの摩耗量を求めた。その結果、サンプルＡ〜Ｃの摩耗量はいずれも極めて少なく、サンプルＸ（サファイア膜）との比較ではその一万分の１〜十万分の１程度であり、サンプルＹ（ダイアモンド膜）との比較でもその千分の１程度であった。サンプルＡ〜Ｃにおいてこのように優れた耐摩耗性が実現されたのは、これらのサンプルのＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの撓みによってダイヤモンド粒子の衝突による衝撃が効率よく緩和（分散）されたためと推察される。

［衝撃吸収特性評価］
サンプルＡ〜ＣのＣＮＴ領域に対し、ＪＩＳ Ｒ１６０７に準拠して、ビッカース圧子を用いたＩＦ法（Indentation Fracture 法）による破壊靭性試験を行った。この結果、印加荷重５０ｇにおいて、原ＳｉＣ基板およびサンプルＡでは亀裂の進展が確認されたが、サンプルＡにおける亀裂の進展は原ＳｉＣ基板における亀裂の進展よりも明らかに少なかった。また、サンプルＢおよびＣでは亀裂が進展しないことを確認した。これらの結果は、サンプルＡ〜ＣではＣＮＴ領域の有する衝撃吸収性能によって亀裂の進展が抑えられたことによるものと考えられる。特にサンプルＢおよびＣでは、ＣＮＴ領域の厚さ（すなわち、該領域を構成するＣＮＴの平均長さ）が十分に大きいことから亀裂の進展を阻止できたものと考えられる。

ＣＮＴ領域に垂直応力が付与された状態を模式的に示す説明図である。 ＣＮＴ領域に垂直応力が付与された状態を模式的に示す説明図である。 ＣＮＴ領域に垂直応力が付与された状態を模式的に示す説明図である。 垂直荷重と摩擦力および高さ変化との関係を示すグラフである。 垂直荷重と摩擦力および高さ変化との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０：ＳｉＣ基板
２０：ＣＮＴ領域
２２：カーボンナノチューブ
３０：プローブ

Claims (9)

1. ＳｉＣ基材上に該基材表面から立ち上がる多数のカーボンナノチューブを有するＣＮＴ領域が形成されているＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料であって、
   該ＣＮＴ領域には前記カーボンナノチューブが高配向かつ高密度に形成されており、
   前記ＣＮＴ領域に付与される機械的エネルギー量の変化によって該領域の摩擦係数を異ならせることができる、ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料。
2. 前記ＣＮＴ領域を構成するカーボンナノチューブの平均直径が１〜１０ｎｍの範囲にあり、かつ、該カーボンナノチューブの平均長さが３０〜５００ｎｍの範囲にある、請求項１に記載の材料。
3. 前記ＣＮＴ領域には、前記カーボンナノチューブが１×１０⁸本／ｍｍ²以上の密度で形成されている、請求項１または２に記載の材料。
4. 前記ＣＮＴ領域に付与される１０ｎＮ〜１００ｎＮの垂直応力によって該領域の摩擦係数を段階的に異ならせることができる、請求項１〜３のいずれかに記載の材料。
5. 前記ＣＮＴ領域は、原ＳｉＣ基材の表面部から珪素原子を除去することにより形成されたものである、請求項１〜４のいずれかに記載の材料。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を耐摩耗材として用いたデバイス。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載のＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を衝撃吸収材として用いたデバイス。
8. 請求項１〜５のいずれかに記載のＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を摩擦抵抗制御材として用いたデバイス。
9. ＳｉＣ基材上に該基材表面から立ち上がる多数のカーボンナノチューブを有するＣＮＴ領域が形成されているＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料を使用する方法であって、
   該ＣＮＴ領域に付与される機械的エネルギー量の変化によって生じる該領域の摩擦係数の変化を利用することを特徴とする、ＳｉＣ／カーボンナノチューブ複合材料の使用方法。
   

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