JP2012066980A - 高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体であって、ダイヤモンドの最大粒径が5000nm以下、平均粒径が2500nm以下で、ダイヤモンド粒子内にリンを10ppm以上10000ppm以下含むことを特徴とする、高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
【選択図】なし
Description
また、本発明者らは、炭素・リン・窒素以外の極微量な不純物も存在することなく、従来の焼結条件よりも圧力、温度が低い焼結条件において、ダイヤモンド粒子が強固に結合し、かつ、導電性のある緻密なダイヤモンド多結晶体が得られることを見出した。
そして、上記のようにして得られたイヤモンド多結晶体は従来の導電性多結晶体に比べはるかに高硬度かつ高強度で耐熱性および耐酸化性にも優れ、同時に放電加工が可能であることがわかった。
本発明は上記の知見に基づいてなされたものであって、以下に記載する通りの高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体及びその製造方法に係るものである。
(2)前記ダイヤモンド粒子間のリン濃度のバラツキが、リン濃度の最大値が平均値の10倍以下、最小値が平均値の1/10以上であることを特徴とする(1)に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
(3)前記ダイヤモンド多結晶体の比抵抗が1000Ωcm以下である(1)又は(2)に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
(4)硬度が80GPa以上である(1)〜(3)のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
(5)前記ダイヤモンド多結晶体における炭素とリンと窒素以外の不純物の濃度が1ppm以下であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
(6)高純度グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素に亜リン酸トリアルキルを含浸させた後、これを温度1500℃以上で、ダイヤモンドが熱力学的に安定である圧力条件下で、焼結助剤や触媒の添加無しに直接的にダイヤモンドに変換させると同時に焼結させることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
(7)高純度グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素に亜リン酸トリアルキルを含浸させ、水蒸気を含む環境で加水分解させ、リン化合物をグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素中に定着させてから焼結させることを特徴とする(6)に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
(8)高純度グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素に亜リン酸トリアルキルを含浸させ、水蒸気を含む環境で加水分解させ、リン化合物をグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素中に定着させ、真空中もしくは不活性ガス中で加熱してアルコールを蒸発させた後、焼結させることを特徴とする(6)又は(7)に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
(9)前期含浸の際、グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素を亜リン酸トリアルキルに浸した容器を減圧し、グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素に含まれた空気とリン酸アルコキシドを置換する手順を含むことを特徴とする(6)〜(8)のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
(10)前記亜リン酸トリアルキルが、トリメトキシリン、トリエトキシリン、トリ−i−プロポキシボリン、トリ−n−プロポキシリン、トリ−i−ブトキシリン、トリ−n−ブトキシリン、トリ−sec−ブトキシリン、トリ−t−ブトキシリンよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする(6)〜(9)のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
出発物質としては極めて高純度で微細なグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素を用いる。非ダイヤモンド状炭素にはグラッシーカーボン、アモルファスカーボン、フラーレン、ダイヤモンドライクカーボン等が含まれる。純度としては99.9%以上であることが好ましく、99.95%以上であることより好ましい。微細なグラファイトの平均粒径は、10μm以下であることが好ましく、より好ましくは1μm以下である。さらには、非晶質な状態のものであることがより好ましい。たとえば10μmを超えるような粗大なグラファイト粒子があると、直接変換後のダイヤモンドも粗粒化し、組織が不均一となる(応力集中サイトが多くなって機械的強度が低下する)ため、好ましくない。
上記のようにして得られた非晶質もしくは微細なリン含有グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素を、高純度な不活性ガス雰囲気中で、MoやTaなどの金属カプセルに充填する。。
上記のように、焼結助剤や触媒の添加無しにグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素を直接的にダイヤモンドに変換させると同時に焼結させているので、従来法で得られるダイヤモンド多結晶体のように焼結助剤や触媒が不純物として含まれることがない。
上記の加水分解させる条件としてはArと水蒸気を含み、湿度90%以上に保たれた環境に1時間以上、好ましくは24時間以上置いて亜リン酸トリアルキルを加水分解することが好ましく、また、アルコールを蒸発させる雰囲気は真空中もしくは不活性ガス中であり、加熱温度は50℃以上200℃以下であることが好ましい。200℃を超えると加水分解されたリン酸が縮合し、最終的に合成されるダイヤモンド多結晶体のリン濃度分布が不均一になるためである。
1)高純度(99.9%以上)で微細(10μm以下、好ましくは1μm以下)なグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素を準備する工程。
2)グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素を亜リン酸トリアルキルを収容した容器に入れて亜リン酸トリアルキル中に浸し、グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素に亜リン酸トリアルキルを含浸させる工程。
3)亜リン酸トリアルキルを含浸させたグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素の入った容器を減圧してグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素中に残留した空気と亜リン酸トリアルキルとを置換する工程。
4)亜リン酸トリアルキルを含浸したグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素をArと水蒸気を含み、湿度90%以上に保たれた環境に1時間以上、好ましくは24時間以上置いて亜リン酸トリアルキルを加水分解し、リン化合物をグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素中に定着させる工程。
5)真空中もしくは不活性ガス中で50℃以上200℃以下で加熱してアルコールを蒸発させる工程
6)上記5)の工程で得られたリン含有グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素をMoやTaなどの金属カプセルに充填し、このカプセルを超高圧高温発生装置を用いて、温度1500℃以上で、かつダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力で所定時間保持してグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素をダイヤモンドに直接変換すると同時に焼結する工程
本発明の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体は、非晶質もしくは微細なグラファイト型炭素物質を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換焼結された、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体であって、ダイヤモンドの最大粒径が5000nm以下であり、平均粒径が2500nm以下であって、ダイヤモンド粒子内にリンを10ppm以上10000ppm以下含む。
上記の構成により、硬度、強度、耐熱性、優れ、同時に放電加工が可能なダイヤモンド多結晶体とすることができる。
また最大粒径は100nm以下、平均粒径は50nm以下であることが好ましい。このことにより、焼結体の強度を高め、加工時に欠けなどの不良が少ないダイヤモンド多結晶体とすることができる。
また粒子間のリン濃度のバラツキの程度は、リン濃度の最大値がリン濃度の平均値の10倍以下であり、リン濃度の最小値がリン濃度の平均値の1/10以上とすることが好ましい。これにより硬度、強度、耐熱性の均一性が上がり、マクロな機械的性質が向上するためである。
ダイヤモンド多結晶体の比抵抗は1000Ωcm以下であることが好ましい。比抵抗が1000Ωcm以下であると放電加工が効率的に行うことができるからである。
ダイヤモンド多結晶体中のリンの含有量が10ppm以上で、電気抵抗がおよそ1000Ωcm以下となり、放電加工が可能な導電性を示す。
炭素とリンと窒素以外の不純物の濃度が1ppm以下であることが好ましい。このことにより、リンの不均一な拡散を防ぎ、ダイヤモンドの異常成長やマイクロクラックの発生を抑制し、焼結体の強度を高めることができるからである。
このため、この多結晶体は、硬度が80GPa以上、場合によっては110GPa以上と、ダイヤモンド単結晶を超える硬さを持つ。
測定方法は以下の通りである。
本発明における原料黒鉛焼成体中のグラファイト粒子及びダイヤモンド多結晶体中のダイヤモンド焼結粒子のD50粒径(平均粒径)は透過型電子顕微鏡により倍率10〜50万倍で写真撮影像を元にして画像解析を実施することで得られる。
以下にその詳細方法を示す。
まず、透過型電子顕微鏡で撮影した撮影像をもとに多結晶体を構成する結晶粒の粒径分布を測定する。具体的には、画像解析ソフト(例えば、Scion Corporation社製、ScionImage)を用いて、個々の粒子を抽出し、抽出した粒子を2値化処理して各粒子の面積(S)を算出する。そして、各粒子の粒径(D)を、同じ面積を有する円の直径(D=2√(S/π))として算出する。
次に、上記で得られた粒径分布をデータ解析ソフト(例えば、OriginLab社製Origin、Parametric Technology社製Mathchad等)によって処理し、D50粒径を算出する。
以下に記載する実施例、比較例では透過型電子顕微鏡として日立製作所製H−9000を用いた。
<硬度>
硬度測定はヌープ圧子を用いて測定荷重を4.9Nとして実施した。
粒径0.8〜9μm、純度99.95%以上のグラファイト粉末を亜リン酸トリアルキルを入れた容器に移して亜リン酸トリアルキル中に浸した。含浸条件及び合成条件を表1に示す。表1には、容器を減圧してグラファイト中に残留した空気と亜リン酸トリアルキルとを置換する工程、Arと水蒸気を含み、湿度90%以上で保たれた環境に置いて亜リン酸トリアルキルを加水分解する工程、Arガス中で加熱して残留したアルコールを蒸発させる工程についても記載している。これをグローブボックス中でMoカプセルに充填、密封した。
このMoカプセルを超高圧発生装置を用いて、表1に示す種々の圧力、温度条件で30分間処理した。
得られた試料の生成相をX線回折により同定し、TEM観察により構成粒子の粒径を調べた。また、強固に焼結している試料については、表面を鏡面に研磨し、その研磨面での硬さをマイクロヌープ硬度計で測定した。実験の結果を表1に示す。
Claims (10)
- 実質的にダイヤモンド粒子のみからなる多結晶体であって、ダイヤモンド粒子の最大粒径が5000nm以下、平均粒径が2500nm以下で、ダイヤモンド粒子内にリンを10ppm以上10000ppm以下含むことを特徴とする、高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
- 前記ダイヤモンド粒子間のリン濃度のバラツキが、リン濃度の最大値が平均値の10倍以下、最小値が平均値の1/10以上であることを特徴とする請求項1に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
- 前記ダイヤモンド多結晶体の比抵抗が1000Ωcm以下である請求項1又は2に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
- 硬度が80GPa以上である請求項1〜3のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
- 前記ダイヤモンド多結晶体における炭素とリンと窒素以外の不純物の濃度が1ppm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
- 高純度グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素に亜リン酸トリアルキルを含浸させた後、これを温度1500℃以上で、ダイヤモンドが熱力学的に安定である圧力条件下で、焼結助剤や触媒の添加無しに直接的にダイヤモンドに変換させると同時に焼結させることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
- 高純度グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素に亜リン酸トリアルキルを含浸させ、水蒸気を含む環境で加水分解させ、リン化合物をグラファイト中に定着させてから焼結させることを特徴とする請求項6に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
- 高純度グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素に亜リン酸トリアルキルを含浸させ、水蒸気を含む環境で加水分解させ、リン化合物をグラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素中に定着させ、真空中もしくは不活性ガス中で加熱してアルコールを蒸発させた後、焼結させることを特徴とする請求項6又は7に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
- 前期含浸の際、グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素を亜リン酸トリアルキルに浸した容器を減圧し、グラファイトもしくは非ダイヤモンド状炭素に含まれた空気とリン酸アルコキシドを置換する手順を含むことを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
- 前記亜リン酸トリアルキルが、トリメトキシリン、トリエトキシリン、トリ−i−プロポキシボリン、トリ−n−プロポキシリン、トリ−i−ブトキシリン、トリ−n−ブトキシリン、トリ−sec−ブトキシリン、トリ−t−ブトキシリンよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項6〜9のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
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