JP2015096454A - カーボンナノ構造体の製造方法およびカーボンナノ構造体アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】曲がりなどの発生を抑制した長尺のカーボンナノ構造体を得る。【解決手段】カーボンナノ構造体の製造方法は、触媒を含む触媒部材と、分離部材とが接触または一体化したベース体を準備する工程（Ｓ０１）と、ベース体において触媒部材と分離部材との接触部または一体化した部位の少なくとも一部を酸化する工程（Ｓ０２）と、炭素を含有する原料ガスをベース体に接触させながらベース体を加熱する工程（Ｓ０３）と、触媒部材から分離部材を分離しつつ、触媒部材と分離部材との分離界面領域にカーボンナノ構造体を成長させる工程（Ｓ０４）とを備える。成長させる工程では、張力を制御しながら分離部材を触媒部材から遠ざけるように相対的に変位させる。【選択図】図１

Description

この発明は、カーボンナノ構造体の製造方法およびカーボンナノ構造体アセンブリに関し、より特定的には、一方向に延びるカーボンナノ構造体の製造方法およびカーボンナノ構造体アセンブリに関する。

従来、カーボンナノチューブやグラフェン等に代表される、炭素原子がナノメートルレベルの直径で並ぶ線状体や炭素原子からなるナノメートルレベルの厚さのシート状体といったカーボンナノ構造体が知られている。このようなカーボンナノ構造体の製造方法としては、加熱した微細な触媒に炭素を含む原料ガスを供給することでカーボンナノ構造体を当該触媒から成長させる方法が提案されている（たとえば、特開２００５−３３０１７５号公報参照）。

特開２００５−３３０１７５号公報

ここで、カーボンナノ構造体の工業的な利用を考えれば、当該カーボンナノ構造体としては長尺かつ曲がりの少ないものが求められている。しかし、従来の方法では、長尺かつ曲がりの少ないカーボンナノ構造体を触媒から安定して成長させることは困難であった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、曲がりなどの発生を抑制した長尺のカーボンナノ構造体の製造方法、および曲がりの発生が抑制されたカーボンナノ構造体アセンブリを提供することである。

この発明に従ったカーボンナノ構造体の製造方法は、触媒を含む触媒部材と、分離部材とが接触または一体化したベース体を準備する工程と、ベース体において触媒部材と分離部材との接触部または一体化した部位の少なくとも一部を酸化する工程と、炭素を含有する原料ガスをベース体に接触させながらベース体を加熱する工程と、触媒部材から分離部材を分離しつつ、触媒部材と分離部材との分離界面領域にカーボンナノ構造体を成長させる工程とを備える。成長させる工程では、カーボンナノ構造体の破断を抑制するように張力を制御しながら分離部材を触媒部材から遠ざけるように相対的に変位させる。

このようにすれば、長尺かつ曲がりの発生が抑制されたカーボンナノ構造体を得ることができる。

本実施形態におけるカーボンナノ構造体の製造方法を説明するフローチャートである。 本実施形態におけるカーボンナノ構造体の製造方法における加熱温度条件を説明するためのグラフである。 本実施形態におけるカーボンナノ構造体の製造方法を説明するための模式図である。 本実施形態におけるカーボンナノ構造体の製造方法を説明するための模式図である。 本実施形態におけるカーボンナノ構造体の製造方法を説明するための模式図である。 本実施形態におけるカーボンナノ構造体の製造方法を説明するための模式図である。 本実施形態におけるカーボンナノ構造体の製造方法を説明するための模式図である。 本実施形態におけるカーボンナノ構造体の製造方法を説明するための模式図である。 実験例において作成されたカーボンナノ構造体を示す走査型電子顕微鏡写真である。 実験例において作成されたカーボンナノ構造体を示す走査型電子顕微鏡写真である。 実施例においてベース体を破断した後、室温まで冷却したサンプルで形成された第１部分および第２部分の断面の視野の例である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

[本願発明の実施形態の説明]
（１） 本実施形態に従ったカーボンナノ構造体の製造方法は、触媒を含む触媒部材（第１部分２５および第２部分２６のいずれか一方）と分離部材（第１部分２５および第２部分２６のいずれか他方）とが接触または一体化したベース体２０を準備する工程（Ｓ０１）と、ベース体２０において触媒部材と分離部材との接触部または一体化した部位の少なくとも一部を酸化する工程（Ｓ０２）と、炭素を含有する原料ガスをベース体に接触させながらベース体を加熱する工程（Ｓ０３）と、触媒部材から分離部材を分離しつつ、触媒部材と分離部材との分離界面領域にカーボンナノ構造体３０を成長させる工程（Ｓ０４）とを備える。成長させる工程では、カーボンナノ構造体の破断を抑制するように張力を制御しながら分離部材を触媒部材から遠ざけるように相対的に変位させる。

このようにすれば、触媒部材と分離部材との分離界面領域（第１部分２５と第２部分２６との分離界面領域）において成長するカーボンナノ構造体３０にカーボンナノ構造体の破断を抑制するように張力を制御しながら、当該カーボンナノ構造体３０を成長させることができる。このため、当該張力をカーボンナノ構造体３０が破断しない程度の値に適宜制御することにより、カーボンナノ構造体３０を破断させることなく安定して成長させることができる。また、カーボンナノ構造体３０は、当該張力を加えられることにより所定の方向に沿って曲がりの発生が抑制された、長尺のカーボンナナノ構造体となる。また、上記のようにカーボンナノ構造体３０に加えられる張力を制御することにより、カーボンナノ構造体３０の成長速度と、触媒部材（たとえば第１部分２５）に対する分離部材（たとえば第２部分２６）の相対的な移動速度とが相違してカーボンナノ構造体３０が破断するといった問題の発生を抑制できる。

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、張力を制御する、とは、上述のようにカーボンナノ構造体３０を破断させないように制御することを意味するが、たとえばカーボンナノ構造体３０破断させないような一定の張力を加えることも含むものとする。また、一定の張力を加える、とは、設定張力からの変動率が１０％以下の範囲内で張力を加えることを意味する。また、上記カーボンナノ構造体の製造方法において、カーボンナノ構造体を成長させる工程におけるカーボンナノ構造体の成長速度はたとえば０．１ｍｍ／分以上２０ｍｍ／分以下、より好ましくは１ｍｍ／分以上５ｍｍ／分以下である。

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、触媒部材から分離部材を分離する、とは、主に以下に示す２つの形態を含むものとする。すなわち、一の形態では、ベース体２０を触媒部分（第１部分２５および第２部分２６のいずれか一方）と分離部分（第１部分２５および第２部分２６のいずれか他方）とに破断した後これらを分離する。この場合、触媒部材と分離部材との破断界面領域を架橋するように複数のカーボンナノ構造体３０を成長させることができる。一方、別の形態では、予め分離して設けられている触媒部材と分離部材とを接触させた後これらを分離する。この場合、触媒部材と分離部材との接触界面領域を架橋するように複数のカーボンナノ構造体３０を成長させることができる。

また、上記カーボンナノ構造体の製造方法において、張力の値は０．０１Ｎ以上５Ｎ以下、より好ましくは０．１Ｎ以上１Ｎ以下である。

（２） 上記カーボンナノ構造体の製造方法において、成長させる工程（Ｓ０４）は、加熱する工程（Ｓ０３）における加熱温度Ｔ１からベース体２０の温度を低下させながら実施されてもよい。この場合、ベース体２０の温度を低下させることによって触媒部材での炭素の固容可能量が低下するため、当該触媒部材では炭素が過飽和状態となる。そして、このように過飽和となったために触媒部材の表面に析出する炭素をカーボンナノ構造体の材料として利用することにより、カーボンナノ構造体３０を効率的に成長させることができる。

（３） 上記カーボンナノ構造体の製造方法において、成長させる工程（Ｓ０４）は、加熱する工程（Ｓ０３）における加熱温度Ｔ１以下、当該加熱温度Ｔ１より１３０℃低い下限温度（たとえば図２のＴ２）以上の温度域で実施されてもよい。

上述した温度域は、触媒部材の内部から過飽和となった炭素が比較的多く析出する温度域であると考えられ、当該温度域において成長させる工程を実施することにより、カーボンナノ構造体３０を効率的に成長させることができる。たとえば、ベース体の温度を加熱温度Ｔ１から低下させるタイミング（図２の時点ｔ５）、または当該タイミングの直前または直後に触媒部材と分離部材との分離（破断）を開始することにより、当該分離界面領域にカーボンナノ構造体３０を効率的に成長させることができる。

（４） 上記カーボンナノ構造体の製造方法において、成長させる工程（Ｓ０４）は、加熱する工程（Ｓ０３）における加熱温度Ｔ１以下、当該加熱温度Ｔ１より２０℃低い下限温度（たとえば図２のＴ２）以上の温度域で実施されてもよい。

上述した温度域は、触媒部材の内部から過飽和となった炭素が比較的多く析出する温度域であると考えられ、当該温度域において成長させる工程を実施することにより、カーボンナノ構造体３０をより効率的に成長させることができる。たとえば、ベース体の温度を加熱温度Ｔ１から低下させるタイミング（図２の時点ｔ５）、または当該タイミングの直前または直後に触媒部材と分離部材との分離（破断）を開始することにより、当該分離界面領域にカーボンナノ構造体３０を効率的に成長させることができる。

（４） 上記カーボンナノ構造体の製造方法において、ベース体２０は、純度９９．９９％以上の純鉄を含んでいてもよい。この場合、純鉄を酸化して酸化鉄とした後、加熱する工程（Ｓ０３）により酸化鉄中に炭素を導入し（浸炭熱処理）、酸化鉄を浸炭熱処理した部材の破断領域（分離界面領域）において当該炭素によりカーボンナノ構造体を成長させることができる。また、上記のような純鉄をベース体２０の材料として用いることにより、酸化する工程（Ｓ０２）後にベース体２０が脆くなって形状を維持できないといった問題の発生を抑制できる。

（５） 上記カーボンナノ構造体の製造方法において、成長させる工程（Ｓ０４）では、触媒部材または分離部材に接続されたばね１３または重りを用いて、張力を発生させてもよい。この場合、ばね１３または重りにより、容易に張力を制御することができる。

（６） 本実施形態に係るカーボンナノ構造体アセンブリは、対向配置された一対の保持部材（第１部分２５および第２部分２６）と、一対の保持部材の間を繋ぐ様に形成されたカーボンナノ構造体３０とを備える。保持部材は、鉄と炭素とを含む。保持部材の断面における縦１０μｍ×横１０μｍの視野で、視野全体の面積に対する炭素の面積率が１０％以上９０％以下である。縦１０μｍ×横１０μｍの視野を超えた範囲で炭素の面積率にばらつきがある場合、面積率を規定する視野については、複数点測定するなどして合理的に保持部材全体の平均と判断される部位を選定するものとする。

このようにすれば、保持部材の間に形成されたカーボンナノ構造体を、カーボンナノ構造体アセンブリとして容易に取り扱うことができる。また、保持部材の主成分が実質的に炭素であるため、保持部材を介してカーボンナノ構造体に電流を流すと言った処理を容易に行なうことができる。

（７） 上記カーボンナノ構造体アセンブリにおいて、カーボンナノ構造体の長さは５０μｍ以上であってもよい。この場合、比較的長尺のカーボンナノ構造体を利用することができる。

（８） 上記カーボンナノ構造体アセンブリにおいて、一対の保持部材の間を繋ぐ様に、カーボンナノ構造体が複数本形成されていてもよい。この場合、１つのカーボンナノ構造体アセンブリに複数のカーボンナノ構造体が含まれるため、複数のカーボンナノ構造体をまとめて処理することができる。

[本願発明の実施形態の詳細]
（実施の形態１）
図１〜図８を参照して、実施形態１によるカーボンナノ構造体の製造方法を説明する。

図１を参照して、まず炭素を固溶可能な材料からなるベース体を準備する工程（Ｓ０１）を実施する。この工程（Ｓ０１）においては、たとえば純鉄からなる薄膜を準備する。この薄膜における鉄の純度はたとえば９９．９９％（４Ｎ）以上とすることが好ましく、９９．９９９％（５Ｎ）以上とすることがより好ましい。また、ベース体としての薄膜の厚みはたとえば５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下、さらに好ましくは７０μｍ以下とすることができる。なお、ベース体の材料としては、炭素を固溶可能であれば、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）等の他の材料を用いてもよい。

次に、図１に示すように、ベース体を酸化する工程（Ｓ０２）を実施する。この工程（Ｓ０２）では、ベース体を空気中において所定の温度にまで加熱することにより、ベース体の少なくとも表面（好ましくはベース体の全体）を酸化する。この工程（Ｓ０２）における熱処理の温度条件は、たとえば図２に示すような温度条件を採用することができる。図２において、横軸は時間を表わし、縦軸は加熱温度を表わしている。

この工程（Ｓ０２）における温度条件は、図２に示すグラフにおいて横軸の原点（０）から時点（ｔ３）までの時間における温度条件に対応する。具体的には、加熱を開始してから時点（ｔ１）までベース体を加熱してベース体の温度を室温（ＲＴ）から加熱温度Ｔ１にまで上昇させる。なお、図２の横軸における時点ｔ１までの加熱プロセスにおける昇温速度はたとえば２０℃／ｍｉｎとすることができる。

そして、ベース体の温度が所定の加熱温度Ｔ１になった時点（時点ｔ１）から、所定の時間だけベース体の温度を維持する。なお、加熱温度Ｔ１はたとえば８５０℃とすることができる。そして、時点ｔ２までベース体の温度を加熱温度Ｔ１に維持した後、時点ｔ２からベース体の冷却を開始する。そして、時点ｔ３において、ベース体の温度が室温（ＲＴ）にまで低下する。この工程（Ｓ０２）により、純鉄からなる薄膜であるベース体は酸化鉄の薄膜となる。なお、時点ｔ２からｔ３までの冷却プロセスにおける冷却速度は−４℃／ｍｉｎとすることができる。

次に、図１を参照して、炭素含有雰囲気中でベース体を加熱する工程（Ｓ０３）を実施する。具体的には、まず上述のように酸化処理を施された酸化鉄からなる薄膜であるベース体２０を、図３および図４に示すように第１ホルダ１１と第２ホルダ１２との上に設置する。第１ホルダ１１の端部と第２ホルダ１２の端部とは互いに間隔を隔てて対向するように配置されている。そして、第１ホルダ１１の端部上から第２ホルダ１２の端部上にまで延びるように、ベース体２０が配置される。ベース体２０の両端部には、ベース体２０の中央部に対して交差する方向（実質的には垂直方向）に折り曲げられた折り曲げ部２１、２２が形成されている。

ベース体２０の一方の端部に位置する第１の折り曲げ部２１が第１ホルダ１１の端部の外周面（第２ホルダ１２に対向する面とは反対側の面）に接触するように配置される。また、ベース体２０の他方の端部に位置する第２の折り曲げ部２２は、第２ホルダ１２の端部の外周面（第１ホルダ１１に対向する面とは反対側の面）に接触するように配置されている。第１ホルダ１１および第２ホルダ１２は、それぞれ図４の矢印に示す方向に移動可能になっている。第１ホルダ１１および第２ホルダ１２を移動させる機構は、油圧シリンダや空気圧シリンダ、モータなど任意の機構を適用できる。そして、ベース体２０の折り曲げ部２２には、ばね１３を介して駆動部１４が接続される。この駆動部１４は、ばね１３に対してベース体２０から離れる方向に所定の大きさの張力を付加することが可能に構成されている。

駆動部１４の構成としては、モータや流体シリンダなど、任意の構成を採用することができる。ばね１３と折り曲げ部２２との接続方法は、ろう付けやねじなどの固定部材を用いる方法など、従来周知の任意の方法を用いることができる。また、駆動部１４にはばね１３に作用する張力を検出するセンサが設置されていることが好ましい。さらに、当該センサの出力に応じて、駆動部１４はばね１３に付加する張力を調整可能になっていることが好ましい。なお、ばね１３と駆動部１４との組合せに代えて、重りをベース体２０の折り曲げ部２２に接続することで、当該重りに作用する重力を利用して折り曲げ部２２に上述した張力を加えてもよい。たとえば、折り曲げ部２２に紐状体を接続し、当該紐状体を図３のばね１３に沿った方向に伸ばした後、ローラや滑車などを用いて鉛直下向きに向きを変えて紐状体の先端部に重りを接続する、といった構成を採用してもよい。

次に、このように第１ホルダ１１と第２ホルダ１２との間を繋ぐ様に設置されたベース体２０を、図５に示すように炭素含有雰囲気中で加熱処理する。具体的には、図２の時点ｔ３から時点ｔ４に示すように、ベース体２０を不活性ガス（たとえばアルゴン（Ａｒ））中において加熱する。不活性ガスとしてのアルゴンの流量は、たとえば０．７０Ｌ／ｍｉｎとしてもよい。また、時点ｔ３からｔ４までの加熱プロセスにおける昇温速度は２７℃／ｍｉｎとすることができる。

そして、ベース体２０の温度が加熱温度Ｔ１となった時点ｔ４から、雰囲気ガスを炭素含有ガス（たとえばアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）ガスと不活性ガス（たとえばアルゴンガス）との混合ガス）として、加熱温度Ｔ１という条件で熱処理する。この熱処理はいわゆる浸炭熱処理に該当する。雰囲気ガスである炭素含有ガスとしてアセチレンとアルゴンとの混合ガスを用いる場合、その組成は、たとえばアセチレンを５体積％、アルゴンを９５体積％とすることができる。また、当該混合ガスの流量はたとえば０．１２Ｌ／ｍｉｎとしてもよい。このように混合ガス雰囲気中での熱処理を時点ｔ４から時点ｔ５まで行なった後、時点ｔ５からベース体２０の温度を低下させる。なお、時点ｔ５から時点ｔ６までの冷却プロセスにおける冷却速度はたとえば−７℃／ｍｉｎとすることができる。また、この冷却プロセスにおける雰囲気ガスは不活性ガス（アルゴンガス）としてもよい。

このとき、ベース体２０の温度を加熱温度Ｔ１に維持している状態から加熱温度Ｔ１より低い所定の温度Ｔ２（たとえば７２３℃以上、より好ましくは、加熱温度Ｔ１より２０℃低い温度）にベース体の温度が低下するまで（たとえば、図２に示した点Ａから点Ｂまでの間）に、図１に示すようにベース体を破断した後、一定張力で変位させながら破断部にカーボンナノ構造体を成長させる工程（Ｓ０４）を実施する。具体的には、図５に示すように第１ホルダ１１と第２ホルダ１２との間をまたぐようにベース体２０を設置した状態で上述した工程（Ｓ０３）を実施した後、図６に示すように第２ホルダ１２を第１ホルダ１１に対して相対的に矢印に示す方向に移動させることによりベース体２０を破断させる。この結果、図６に示すように、ベース体２０が第１部分２５と第２部分２６とに破断する。このとき、第１部分２５と第２部分２６との破断界面領域を架橋するように複数のカーボンナノ構造体３０が成長する。ここで、所定の温度Ｔ２は、加熱温度Ｔ１より１３０℃低い下限温度である。好ましくは、ベース体２０を構成する材料である鉄と炭素との共析点である７２３℃以上であり、より好ましくは加熱温度Ｔ１より２０℃低い温度である。

その後、図７に示すように、第２ホルダ１２を矢印２７に示す方向に移動させるとともに、駆動部１４によりばね１３に対して一定の張力を加えた状態を維持する。ばね１３による一定の張力によって矢印２８に示す方向に第２部分２６が引張られた状態となる。この結果、第１部分２５と第２部分２６との破断した界面に成長するカーボンナノ構造体３０に対しては、カーボンナノ構造体３０の成長している軸方向に一定の張力が加えられた状態を維持できる。

そして、図２に示した時点ｔ５以後、ベース体２０の温度が低下している状態（たとえば時点ｔ５から、ベース体２０の温度が温度Ｔ２にまで低下するまでの期間）においては、温度低下による炭素の過飽和に起因してベース体２０から析出する炭素をカーボンナノ構造体３０として成長させることができる。また、ばね１３を介して第２部分２６には一定の張力が加えられた状態となっているため、カーボンナノ構造体３０が成長することによる第２部分２６の変位をばね１３の変形により吸収しながら、第２の折り曲げ部２２を介して成長するカーボンナノ構造体３０に所定の張力を加え続けることができる。この結果、長尺かつ一方向に沿って延びる（曲がりの抑制された）カーボンナノ構造体３０を得ることができる。

また、このように第１部分２５と第２部分２６との破断界面にカーボンナノ構造体３０が成長された部材を、第１部分２５、第２部分２６およびカーボンナノ構造体３０を備える一体の部材（カーボンナノ構造体アセンブリ）として取扱うことができる。このようにすれば、ベース体２０からカーボンナノ構造体３０を分離してカーボンナノ構造体３０のみをハンドリングする場合よりも、カーボンナノ構造体３０の取扱いを容易に行なうことができる。

また、上述のようにカーボンナノ構造体３０が形成された第１部分２５および第２部分２６は、鉄と炭素とを含み、第１部分２５および第２部分２６の断面における縦１０μｍ×横１０μｍの視野で、視野全体の面積に対する炭素の面積率が１０％以上９０％以下となっている。好ましくは、第１部分２５および第２部分２６の断面における炭素の上記面積率は５０％以上９０％以下である。このようにすれば、温度低下による炭素の過飽和に起因してベース体２０から析出する炭素量を増やすことができるため、カーボンナノ構造体３０をより高速に成長させることができる。

また、上述したプロセスにおいて成長されるカーボンナノ構造体３０としては、たとえばカーボンナノチューブ、カーボンナノシート、グラフェンシートなどのカーボンナノ構造体を得ることができる。また、得られるカーボンナノ構造体３０の長軸方向における長さはたとえば１００μｍ以上である。また、図７および図８に示すようにカーボンナノ構造体３０を成長させる工程は、ベース体２０を冷却させる工程（たとえば図２における時点ｔ５からｔ６までの間）にて行なうことが好ましい。

また、上述したプロセスでは、ベース体２０を破断した後、駆動部１４によりばね１３に対してカーボンナノ構造体３０が破断しない程度の一定の張力を加えたが、駆動部１４により該張力を制御してもよい。カーボンナノ構造体３０の成長速度が上述した成長させる工程（Ｓ０４）において変動する場合に、成長速度に応じて上記張力を制御してもよい。たとえばベース体２０の破断直後にカーボンナノ構造体３０の成長速度が遅い場合には張力を低く制御しておき、該成長速度が速くなってきた場合には張力を高く制御してもよい。このようにしても、工程（Ｓ４０）においてカーボンナノ構造体３０の破断を防止して、長尺のカーボンナノ構造体３０を得ることができる。

また、上述したプロセスでは、鉄で構成されている、ベース体２０を用い、成長させる工程（Ｓ０４）における下限温度（たとえば図２のＴ２）は加熱する工程（Ｓ０３）における加熱温度Ｔ１よりも１２０℃低い温度であって、好ましくは鉄−炭素の状態図の共析点である７２３℃としているが、これに限られるものではない。上記下限温度の好適値は、ベース体２０を構成する材料に応じて決定してもよい。たとえば、ベース体２０を構成する材料が炭素との状態図において共析点を有する材料（たとえばＣｏ等）である場合、上記下限温度は、当該材料の共析点であるのが好ましく、より好ましくは上記加熱温度Ｔ１よりも２０℃低い温度である。このようにすれば、成長させる工程（Ｓ０４）における温度域は、ベース体２０を構成する材料と炭素との状態図の共析点以上、加熱温度Ｔ１以下とすることができるため、ベース体２０の内部から過飽和となった炭素が比較的多く析出することができ、カーボンナノ構造体３０を効率的に成長させることができる。

また、ベース体２０を構成する材料が炭素との状態図において共析点を有さない材料（たとえばＰｄ等）である場合には、上記下限温度は加熱する工程（Ｓ０３）における加熱温度Ｔ１よりも１２０℃低い温度であって、上記下限温度は上記加熱温度Ｔ１よりも２０℃低い温度であるのが好ましい。このようにすれば、成長させる工程（Ｓ０４）における温度域は、ベース体２０の内部から過飽和となった炭素が比較的多く析出する温度域であると考えられ、当該温度域において成長させる工程を実施することにより、カーボンナノ構造体３０を効率的に成長させることができる。

（実施の形態２）
次に、実施形態２によるカーボンナノ構造体の製造方法を説明する。実施の形態２によるカーボンナノ構造体の製造方法は、基本的には実施の形態１によるカーボンナノ構造体の製造方法と同様の構成を備えるが、加熱する工程（Ｓ０３）において予め別体として構成されている第１部分２５と第２部分２６とが接触したベース体２０を加熱し、かつ、成長させる工程（Ｓ０４）において第１部分２５から第２部分２６を分離しつつ、第１部分２５と第２部分２６との接触界面領域にカーボンナノ構造体３０を成長させる点で異なる。

このようにすれば、この場合、第１部分２５と第２部分２６との接触界面領域を架橋するように複数のカーボンナノ構造体３０を成長させることができる。

このとき、成長させる工程（Ｓ０４）では、カーボンナノ構造体３０の破断を抑制するように張力を制御しながら第２部分２６を第１部分２５から遠ざけるように相対的に変位させることにより、実施の形態１に係るカーボンナノ構造体の製造方法と同様の効果を奏することができる。

（実験例１）
本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行った。

＜試料＞
まず、本発明の実施例１の試料であるベース体として幅が５ｍｍ、長さが２０ｍｍ、厚みが５０μｍの純鉄箔（純度５Ｎ)を準備した。

＜処理内容＞
当該純鉄箔からなるベース体を、図３および図４に示すように第１ホルダ１１および第２ホルダ１２により保持した。また、図３に示すようにベース体の両端部に形成された折り曲げ部の一方に、ばね１３および駆動部１４を接続した。次に、当該ベース体を、加熱炉を用いて大気雰囲気中で加熱温度を８５０℃、熱処理時間を１分とした条件により熱処理（酸化処理）した。この酸化処理によりベース体は酸化鉄の薄膜となった。ベース体を室温まで冷却した後、加熱炉の反応室内部にＡｒガス（アルゴンガス） を導入し、当該加熱炉の反応室内から酸素を排出した。

次に、Ａｒガス中で再度ベース体を加熱して８５０℃まで昇温した後、Ａｒガス中にアセチレンガスを５体積％ 含有した原料ガスを反応室内に流しながら、加熱温度を８５０℃とした熱処理（浸炭熱処理）を行った。原料ガスの流量は０．１２Ｌ／ｍｉｎとした。加熱温度を８５０℃とした原料ガス中での熱処理を１０分間実施した後、第１ホルダ１１に対して第２ホルダ１２を相対的に移動させることによってベース体を破断し、生じた破断面間に架橋するようにファイバ状のカーボンナノ構造体を成長させた。その後、図７に示すようにリジッドな固定治具である第２ホルダ１２を当該ベース体の端部（第２の折り曲げ部２２）から離し、ばね１３により一定の張力（０．１Ｎ）がベース体に印加されるように設定した。

＜結果＞
破断したベース体（純鉄の薄膜を酸化した部材を浸炭熱処理した部材）の破断面を繋ぐように、カーボンナノ構造体としてのファイバ状カーボンが形成された。当該ファイバ状カーボンの長さは最長で１５０μｍ程度であった。形成されたファイバ状カーボンの例を図９および図１０に示す。また、上述のようにファイバ状カーボンが形成されたベース体は、当該ベース体が破断して形成された第１部分および第２部分の断面における縦１０μｍ×横１０μｍの視野で、視野全体の面積に対する炭素の面積率が１０％、５０％、９０％となっていた。ベース体を破断した後、室温まで冷却したサンプルで形成された第１部分および第２部分の断面の視野の例を図１１に示す。図１１中の領域１は炭素からなり、領域２は鉄からなっている。領域１は当該断面において主要部分を占めていた。一方、領域２は領域１内において分散するようにベース体内に含まれていた。これにより、ベース体は、領域２が分散配置されているため一定の張力以上の強度を有するとともに、上記条件下において領域１から炭素を析出させてカーボンナノ構造体を成長させることができる。なお、炭素の面積率が１０％程度であるベース体は、領域２内において領域１を分散するように含んでいるが、この場合にであっても、領域２により高い強度を有するとともに、領域１から炭素が析出させてカーボンナノ構造体を成長させることができる。

（実験例２）
＜試料＞
本発明の実施例２の試料として、上述した実験例１と同様の試料を準備した。

＜処理内容＞
当該純鉄箔からなるベース体を、上述した実験例１と同様に、図３および図４に示すように第１ホルダ１１および第２ホルダ１２により保持した。また、図３に示すようにベース体の両端部に形成された折り曲げ部の一方に、ばね１３および駆動部１４を接続した。その後、実験例１と同様に酸化処理を行なった。

次に、Ａｒガス中で再度ベース体を加熱して８５０℃まで昇温した後、Ａｒガス中にアセチレンガスを５体積％ 含有した原料ガスを反応室内に流しながら、加熱温度を８５０℃とした熱処理（浸炭熱処理）を行った。原料ガスの流量は０．１２Ｌ／ｍｉｎとした。加熱温度を８５０℃とした原料ガス中での熱処理を７分間実施した後、加熱温度を８５０℃から８３０℃にまで低下させた。このときの冷却速度は１０℃／ｍｉｎとした。また、このように温度を低下させながら、駆動部１４を作動させることによりばね１３を介してベース体に一定の張力（０．５Ｎ）を印加してベース体を徐々に破断させた。

＜結果＞
破断したベース体（純鉄の薄膜を酸化した部材を浸炭熱処理した部材）の破断面を繋ぐように、カーボンナノ構造体としてのファイバ状カーボンが形成された。当該ファイバ状カーボンは、長さが１００μｍ程度であり、長手方向に連続した結晶構造であった。

（実験例３）
＜試料＞
本発明の比較例１の試料として、上述した実験例１と同様の試料を準備した。

＜処理内容＞
当該純鉄箔からなるベース体を、上述した実験例１と同様に、図３および図４に示すように第１ホルダ１１および第２ホルダ１２により保持した。また、図３に示すようにベース体の両端部に形成された折り曲げ部の一方に、ばね１３および駆動部１４を接続した。その後、実験例１と同様に酸化処理を行なった。

次に、Ａｒガス中で再度ベース体を加熱して８５０℃まで昇温した後、Ａｒガス中にアセチレンガスを５体積％含有した原料ガスを反応室内に流しながら、加熱温度を８５０℃ とした熱処理（浸炭熱処理）を行った。原料ガスの流量は０．１Ｌ／ｍｉｎとした。加熱温度を８５０℃ とした原料ガス中での熱処理を１０分間実施した後、そのまま第１ホルダ１１に対して第２ホルダ１２を相対的に移動させることによってベース体を破断し、生じた破断面間に架橋するようにファイバ状のカーボンナノ構造体を成長させた。

＜結果＞
破断したベース体（純鉄の薄膜を酸化した部材を浸炭熱処理した部材）の破断面に、カーボンナノ構造体としてのファイバ状カーボンが形成された。しかし、当該ファイバ状カーボンは破断面間を架橋することなく、すべて途中で破断していた。

（実験例４）
＜試料＞
本発明の比較例２の試料として、上述した実験例１と同様の試料を準備した。

＜処理内容＞
当該純鉄箔からなるベース体を、上述した実験例１と同様に、図３および図４に示すように第１ホルダ１１および第２ホルダ１２により保持した。また、図３に示すようにベース体の両端部に形成された折り曲げ部の一方に、ばね１３および駆動部１４を接続した。その後、実験例１と同様に酸化処理を行なった。

次に、Ａｒガス中で再度ベース体を加熱して８５０℃まで昇温した後、Ａｒガス中にアセチレンガスを５体積％含有した原料ガスを反応室内に流しながら、加熱温度を８５０℃ とした熱処理（浸炭熱処理）を行った。原料ガスの流量は０．１２Ｌ／ｍｉｎとした。加熱温度を８５０℃ とした原料ガス中での熱処理を７分間実施した後、そのまま第１ホルダ１１に対して第２ホルダ１２を相対的に移動させることによってベース体を破断し、その後ベース体をＡｒガス中で徐冷した。

＜結果＞
破断したベース体（純鉄の薄膜を酸化した部材を浸炭熱処理した部材）の破断面に、カーボンナノ構造体としてのファイバ状カーボンが形成された。ファイバ状カーボンの長さは１０μｍ程度であった。

（実験例５）
＜試料＞
本発明の比較例２の試料として、上述した実験例１と同様の試料を準備した。

＜処理内容＞
当該純鉄箔からなるベース体を、上述した実験例１と同様に、図３および図４に示すように第１ホルダ１１および第２ホルダ１２により保持した。また、図３に示すようにベース体の両端部に形成された折り曲げ部の一方に、ばね１３および駆動部１４を接続した。その後、実験例１と同様に酸化処理を行なった。

次に、Ａｒガス中で再度ベース体を加熱して８５０℃まで昇温した後、Ａｒガス中にアセチレンガスを５体積％含有した原料ガスを反応室内に流しながら、加熱温度を８５０℃ とした熱処理（浸炭熱処理）を行った。原料ガスの流量は０．１２Ｌ／ｍｉｎとした。加熱温度を８５０℃ とした原料ガス中での熱処理を７分間実施した後、加熱温度を８５０℃から８３０℃にまで低下させた。このときの冷却速度は１０℃／ｍｉｎとした。その後、駆動部１４を作動させることによりばね１３を介してベース体に張力を印加してベース体を徐々に破断させた。

＜結果＞
破断したベース体（純鉄の薄膜を酸化した部材を浸炭熱処理した部材）の破断面には、ファイバ状カーボンは形成されなかった。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、特に長尺かつ曲がりの抑制されたカーボンナノ構造体の製造に有利に適用される。

１１ 第１ホルダ
１２ 第２ホルダ
１３ ばね
１４ 駆動部
２０ ベース体
２１，２２ 折り曲げ部
２５ 第１部分
２６ 第２部分
２７，２８ 矢印
３０ カーボンナノ構造体

Claims (9)

1. 触媒を含む触媒部材と、分離部材とが接触または一体化したベース体を準備する工程と、
   前記ベース体において前記触媒部材と前記分離部材との接触部または一体化した部位の少なくとも一部を酸化する工程と、
   炭素を含有する原料ガスを前記ベース体に接触させながら前記ベース体を加熱する工程と、
   前記触媒部材から前記分離部材を分離しつつ、前記触媒部材と前記分離部材との分離界面領域にカーボンナノ構造体を成長させる工程とを備え、
   前記成長させる工程では、張力を制御しながら前記分離部材を前記触媒部材から遠ざけるように相対的に変位させる、カーボンナノ構造体の製造方法。
2. 前記成長させる工程は、前記加熱する工程における加熱温度からベース体の温度を低下させながら実施される、請求項１に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。
3. 前記成長させる工程は、前記加熱する工程における加熱温度以下、前記加熱温度より１３０℃低い下限温度以上の温度域で実施される、請求項１または請求項２に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。
4. 前記成長させる工程は、前記加熱する工程における加熱温度以下、前記加熱温度より２０℃低い下限温度以上の温度域で実施される、請求項３に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。
5. 前記ベース体は、純度９９．９９％以上の純鉄を含む、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。
6. 前記成長させる工程では、前記触媒部材または前記分離部材に接続されたばねまたは重りを用いて、前記張力を発生させる、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。
7. 対向配置された一対の保持部材と、
   前記一対の保持部材の間を繋ぐ様に形成されたカーボンナノ構造体とを備え、
   前記保持部材は、鉄と炭素とを含み、
   前記保持部材の断面における縦１０μｍ×横１０μｍの視野で、前記視野全体の面積に対する前記炭素の面積率が１０％以上９０％以下である、カーボンナノ構造体アセンブリ。
8. 前記カーボンナノ構造体の長さは５０μｍ以上である、請求項７に記載のカーボンナノ構造体アセンブリ。
9. 前記一対の保持部材の間を繋ぐ様に、前記カーボンナノ構造体が複数本形成されている、請求項７または請求項８に記載のカーボンナノ構造体アセンブリ。