JP3383608B2 - ナノ結晶性材料を合成するための装置 - Google Patents
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Description
料の製造装置に関する。より詳細には、本発明は、プラ
ズマアーク装置において作用気体組成を制御することに
よって各種の化学量論的ナノ構造材料を製造する装置に
関する。ナノ構造材料の製造速度は、N2又はH2 気体
とAr作用気体とを組み合わせることによって実質的に
高めることもできる。
材料と比べて高い又は特異な特性を示すことが示されて
いる。例えば、金属性ナノ構造材料は低温で焼結されう
るが、多結晶性金属材料よりも高い硬度及び降伏強さを
示す。セラミックス系ナノ構造材料は、低温において常
用のセラミックス材料よりもはるかに高い延性を示す。
このようなナノ構造材料を製造するためには、粒径と化
学量論性を制御する必要がある。しかしながら、こうし
たナノ構造材料を商業用に大量生産するには、化学量論
性と粒径を制御しながら迅速に製造する装置がなければ
ならない。現在の製造装置では、多少の粒径制御はでき
ても、化学量論性を信頼性よく制御し、或いは大量の材
料を迅速に製造すると同時に、粒径や化学量論性をも制
御することはできない。
的は、ナノ構造材料を製造するための改良された装置を
提供することにある。また、本発明の目的は、化学量論
性を制御したナノ構造材料を製造するための新規な装置
を提供することにもある。本発明の別の目的は、粒径と
化学量論性を十分に制御したナノ構造材料を大量生産す
るための改良された装置を提供することである。本発明
のさらなる目的は、粒径が十分に画定され非常に小さい
ナノ構造材料の新規製品を提供することにある。本発明
のさらに別の目的は、ナノ構造のガンマ−フェライトを
製造するための改良された装置を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、アルゴン並びに窒素及び/
又は水素及び/又は炭素含有気体の作用気体混合物を用
いて、粒径を制御したナノ構造材料を製造するための新
規装置を提供することにある。
ク装置の反応帯域内に注入される急冷気体の量及び種類
を制御することによって、ナノ構造粒子の大きさを制御
するための改良された装置を提供することにある。本発
明のさらに別の目的は、プラズマアーク装置の反応帯
域、カソード帯域及びアノード帯域から出力される光の
色及び強度を制御することによって、ナノ構造材料の製
造を制御するための新規な装置を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、化学量論的にAl2 O3 、
ZrO2 、TiO2 及びFe2 O3 であり且つナノ構造
である材料を製造するための改良された装置を提供する
ことにある。本発明のさらに別の目的は、プラズマアー
ク装置における作用気体及び急冷気体の注入位置を制御
しながら調整することによって、ナノ構造材料の製造を
制御するための新規な装置を提供することにある。本発
明のさらに別の目的は、ナノ構造材料の細孔分布及び細
孔間隔を制御するための新規な装置を提供することにあ
る。
半導体及びセラミックスから成る群より選ばれたナノ結
晶性エアロゾルを発生させるための手段を含有するチャ
ンバーと、前記チャンバー内に配置された非消費性カソ
ードであって、前記カソードを化学反応から遮蔽し且つ
電離アークを延長させる作用気体流を提供するための手
段を有する非消費性カソードと、前記チャンバー内に配
置され、前記電離アークによって気化可能な物質を提供
するための、前記カソードに対してある角度で傾斜され
た消費性アノードと、前記電離アークの少なくとも一つ
の地点に急冷気体及び反応気体の少なくとも一方を注入
して前記アークをその注入地点において消失せしめ、よ
ってアーク末端を確立するための第一注入手段と、前記
急冷気体及び反応気体の少なくとも一方の注入により消
失されたアーク末端を越えた下流の地点において前記ナ
ノ結晶性エアロゾル中に冷却気体流を注入するための第
二注入手段と、反応帯域の形成、前記ナノ結晶性エアロ
ゾルの発生及びナノ結晶性材料の合成を可能ならしめる
べく前記アノードと前記カソードに電力を供給するため
の手段とを含む、ナノ結晶性材料を合成するための装置
を提供することにより達成される。
0で概略的に示す。ナノ構造材料又はナノ結晶性材料の
製造は、チャンバー14内で、高純度前駆体物質12
を、例えば、電源18によって作動する水冷式TIG
(タングステン不活性ガス)トーチ16により発生させ
たアークによって、気化させることから始まる。チャン
バー14の内部は、相対圧力で約20水銀柱インチ(約
6.8×10 4 Pa)の減圧から最大で+3psi(約
2.07×104 Pa)の陽圧の範囲(絶対圧250t
orr〜1000torr)(約3.3×104 Pa〜
約1.3×105 Pa)で維持することが好ましい。
ば、2%の酸化トリウムを含むタングステン電極20か
らのアークエネルギーの移動によって溶融して気化す
る。この非消費性タングステン電極20は溜25からの
不活性作用気体22の流れによって遮蔽されており、ア
ークを発生させる。作用気体22は非消費性タングステ
ン電極20を酸化性環境から遮蔽するように作用した
後、アークを発生させるに十分な濃度にまでイオン化す
ると作用プラズマガスになる。不活性作用気体22は好
ましくはアルゴンを含有し、そしてトーチ16に結合し
ている水冷式ノズル24によって導かれる。
が0.0625〜2インチ(約1.59〜50.8m
m)のロッド状であり、そして非消費性タングステン電
極20に対して水平に(図1参照)又は垂直に(図2参
照)供給される。供給用ロッド状前駆体物質12は連続
供給され、安定なアーク及びナノ結晶性材料の連続製造
が可能になる。連続製造は、より一貫した基準で工程を
運転できるのでバッチ運転よりも好ましい。前駆体物質
12は、銅アノード28によって電気的に接地され且つ
冷却され、また前駆体物質12には並進運動と回転運動
の両方が与えられる。
アークプラズマ尾炎部30を発生させるような角度に傾
斜させることが好ましい。電流レベルによってプラズマ
尾炎部30は約1〜数インチ(約2.54〜数cm)の
長さになりうる。プラズマ尾炎部30は高温の勾配炉と
して作用し、その中に気化した前駆体物質12が急冷及
び/又は反応気体32(以降、「急冷/反応気体」)と
一緒に、所望によりノズル35から注入される。プラズ
マ尾炎部30に注入される急冷/反応気体32の量は、
作用気体溜25の場合と同様に調節器31を有する流量
計36によって制御される。プラズマ尾炎部30の周囲
には同心気体注入形状が確立され、急冷/反応気体32
の均質な挿入が可能になる。好ましくは、ノズル35
は、図3又は図4に示したようなノズル37の配置の一
つである。急冷/反応気体ノズル37は、図1又は図2
に示したようなプラズマ尾炎部30の長さ方向における
いずれの地点に位置することもできる。急冷/反応気体
32の挿入位置は、プラズマ尾炎部30の長さを切断す
るように作用し且つ製造工程を制御することができる。
急冷及び反応気体の組成は、酸素、窒素、ヘリウム、空
気又はこれらの気体の組合せのうちの一つであることが
好ましい。
の交点付近に、第一の特性色を示す反応帯域が形成され
る。さらに、カソード28の付近に第一の電離アークが
形成され、これが第二の特性色を示す。さらに、カソー
ド28の付近に第一の電離アークが形成され、これが第
二の特性色を示す。さらに、アノード20の付近に別の
アークが形成され、これが第三の特性色を示す。ナノ結
晶性材料を合成する方法は、第一、第二及び第三の特性
色の中で最大の色分解を発生させることにより製造速度
について最適化することができる。形成されるナノ結晶
性材料が酸化鉄である場合、反応帯域は黄色の特性色を
示し、カソード28付近のアークは赤色の特性色を示
し、そしてアノード20付近のアークは緑色の特性色を
示す。
ノ構造材料を製造することができる。例えば、プラズマ
尾炎部30の中で金属チタン蒸気を気体窒素と反応させ
て8〜25nmのTiNナノ結晶を形成させることがで
きる。金属チタンを気体酸素と反応させて5〜40nm
のTiO2 ナノ結晶を形成させることもできる(実施例
を参照されたい)。これら2種のTi系セラミックス材
料TiN(図5(A))及びTiO2 (図5(B))の
X線回折データは、異なる2種の材料がプラズマ尾炎部
30を反応帯域として使用することで形成されたことを
示している。透過型電子顕微鏡もまた、これら2種の材
料の明らかに異なる形態を示している。
加させ且つその長さを伸ばすために、非消費性タングス
テン電極20を遮蔽する作用気体22に解離可能な不活
性気体(例、窒素、水素、又はこれら両方)を混合(1
〜70%)してもよい。プラズマ尾炎部30における温
度が高いほど、前駆体物質12と反応気体32との反応
の完全性が高くなる。また、注入地点を制御することに
より、前駆体物質12の反応の完全性を制御することが
できる。大きな温度勾配は、ナノ結晶の形成(大きさや
分布)及びナノ結晶の凝集度を制御することができる。
従来技術(例、米国特許第4,732,369号明細
書)とは異なり、作用気体(米国特許第4,732,3
69号明細書での名称は「ピンチガス」)には解離可能
な気体酸素を使用しないことが最も好ましい。というの
は、気体酸素は非消費性タングステン電極20の腐食の
原因となり、また最終製品にタングステンの不純物を発
生させるからである。図6は、作用気体22中に酸素を
存在させない場合(図6(A))及び0.5%存在させ
た場合(図6(B))で作られた材料のエネルギー分散
X線分析を示す。作用気体22中に少量(>0.5%)
の酸素が含まれる場合でさえも、最終製品に含まれるタ
ングステン不純物濃度は約0.2%になりうることが明
らかである。誘導結合プラズママススペクトロメトリー
による不純物分析は、この方法で作用気体22に酸素を
使用しないで製造された材料の純度が非常に高いことを
示している。表1は、この好ましい方法で製造された材
料中に存在する典型的な不純物を示すものである。
ロゾル40(図3又は図4参照)が形成されると、ナノ
結晶の凝集が起こる。この点において、そのエアロゾル
40を、径違い円錐形ノズル42の中で乱流混合してさ
らなる凝集を防止する。再循環気体または室内空気44
を送風機46により円錐形ノズル42の中に導入する。
この再循環気体44は、気体導入ヘッド48によって半
径方向(図8参照)又は接線方向(図7参照)において
ノズル42に注入することができる。円錐形ノズル42
において発生した気体44の渦運動によって、エアロゾ
ル40が低温再循環気体44と混合され且つこれにより
希釈されて、ナノ結晶のさらなる凝集が防止される。図
9に示したように一つ以上のソース43によって発生し
たナノ結晶エアロゾル40を配合し且つ均質化するため
に、円錐形ノズル42を使用することもできる。ソース
43は、製造速度を高めるために同じ材料のものであっ
てもよいし、また複合材の形成を可能にする異なる材料
を発生させる別個のソースであってもよい。
錐形ノズル42を出た後は、混合されたエアロゾル45
は送風機46の作用により大容積の集積ハウジング50
の中に急速に膨張する。この気体の膨張によりエアロゾ
ル45はさらに冷却される。気体の膨張後には数百度の
温度低下が測定されている。大容積の集積ハウジング5
0は濾過媒体54を含有する。この濾過媒体54が凝集
の弱いナノ結晶を捕捉し、そして気体は送風機46によ
り濾過媒体54を介して分離される。ナノ結晶は、気体
注入源56からの気体パルスにより解放されるまで濾過
媒体54表面に残留する。濾過媒体54は、耐熱コーテ
ィングを有する布繊維又は多孔質焼結金属であることが
できる。凝集したナノ結晶は一般的な粉末として挙動
し、そして濾過媒体54から遊離すると、粉末は弁60
を介して保存容器58の中に重力作用で集められる。
布、純度及び凝集度)は急冷/反応気体32を注入する
地点によって制御することができ、そしてナノ結晶エア
ロゾル40の希釈は粒子形成直後に行うことができる。
図10に、円錐形ノズル42の中に半径方向で又は接線
方向で注入される急冷/反応気体32の流量に対する凝
集粒子の大きさを示す。多くの場合、急冷/反応気体3
2は、アーク電流及び前駆体物質によって同じ地点で注
入することができる。急冷/反応気体32は、核生成と
凝縮が開始するような温度の地点においてプラズマ尾炎
部30に注入することが好ましい。プラズマ尾炎部30
におけるいずれの地点にも、胚種性微結晶の凝縮と蒸発
の間にはバランスが存在する。分析的には、この臨界粒
径は以下の温度と物性との関係で表される。
張力(N/m)であり、Va は原子容(m3 )であり、
kはボルツマン定数(1.38×10-23 J/K)であ
り、Tは温度(K)であり、そしてpv 及びp0 は実測
蒸気圧及び平衡蒸気圧(N/m2 )である。特許請求の
範囲を制限するものではないが、これらの粒子は、他の
モノマー又は小粒子との融合によって大きな粒子へと成
長するためのモノマーとして作用すると考えられる。融
合成長の量はモノマーが経験する衝突の数に依存する。
プラズマ尾炎部30における温度勾配は非常に大きいの
で、蒸気と形成されつつある粒子は高速度で運動する。
プラズマ尾炎部30における速度はアークの特性に強く
依存する。
アーク電流(A)であり、Jは電流密度(A/m2 )で
あり、μ0 は自由空間透過率(1.256×10-8N/
A2)であり、そしてρは蒸気密度(kg/m-3)であ
る。臨界粒子は、モノマーが形成される適当な位置にお
いて急冷/反応気体32を注入することによって急速に
冷却されることができ、そしてモノマーの衝突数は最適
量の急冷/反応気体32で希釈することにより減らすこ
とができる。この制御の度合いによって所望の小さい粒
径を実現することができる。速度成分はr-1/2に比例し
て変動するので、急冷/反応気体32の注入量が気体の
注入地点よりも重要となる。しかしながら、製造速度が
増加する(すなわち、蒸気密度が増加する)につれて、
急冷/反応気体32の注入の量及び位置が重要になる。
図11(A)に、プラズマ尾炎部30に注入される急冷
/反応気体32の量を関数にした平均粒径を示し、また
図11(B)に、ナノ結晶性粒子の直径に与える急冷/
反応気体32の注入位置の効果を示す。
物、炭化物又は窒化物を形成するため(例、前駆体Si
を用いてSiO2 、Si3 N4 もしくはSiCを形成す
ることができる)、反応気体を急冷気体と一緒に又は別
々に導入することができる。反応気体を急冷気体と一緒
にプラズマ尾炎部30の中に導入することにより、急冷
過程を高め且つ小さなナノ結晶粒子の形成を増進する融
点のより高い材料の形成が可能となる。また、作用気体
22において解離可能な気体、例えばH2 又はN2 を使
用することにより、プラズマ尾炎部30の到達温度をよ
り高くすることができ、前駆体蒸気の反応をより完全な
ものとすることができる。
い、そして反応気体32として酸素を用いてプラズマ尾
炎部30に注入すると、二次化学量論的(酸素欠乏)金
属酸化物ナノ結晶生成物が形成される。この二次化学量
論性はラマン分光光度分析放射線写真、X線回折法又は
熱重量分析法によって検出することができる。この二次
化学量論的材料は完全酸化を達成するために後処理を必
要とする。この後処理には、粉末を空気中、高温でアニ
ール工程が通常は含まれる。この工程は往々にして凝集
度を増大させ、粒子の大きさを成長させてしまう。作用
気体22(特にArガス)に5〜50%の水素を添加す
ると、形成されるナノ結晶生成物は完全に化学量論的に
することができ、その生成物は後処理をまったく必要と
しない。この気体混合物は、ナノ構造材料の製造コスト
を削減し、凝集の弱い材料の形成を可能にする。このこ
とが粒径に及ぼす効果は相当なものである。合成時に物
質を完全に反応させることによりナノ結晶は凝集が弱く
且つ粒径範囲が15〜20ナノメートルとなるのに対
し、後反応を要する粒子は一般に粒径が30〜50ナノ
メートルになってしまう。
ノ結晶は、ナノ構造材料を形成することができる能力に
ついて試験することができる。ナノメートル寸法の極微
細粒子を製造するための技法は各種あるが、バルクのナ
ノ構造体又はナノメートル分散体が望まれる場合には凝
集度が重要である。凝集が強すぎると、実用の機械力で
は凝集体を一次粒子又は近一次粒子へと破壊するには十
分ではない。こうした粒子を破壊するため、ボールミル
微粉砕法のような高エネルギー方法を使用することはで
きる。しかしながら、ボールミル微粉砕法によると、材
料に汚染物が混入して純度が低下することがしばしば起
こる。
種類の技法、すなわち透過型電子顕微鏡法(TEM)と
BET表面積測定法が用いられる。TEMは、凝集して
粒子になる個々の微結晶の目視検査であり、またBET
は、下式を用いて表面積測定値から平均粒径を求めるも
のである。
比重(kg/m3 )であり、そしてSは比表面積測定値
(m2 /gm)である。微結晶が弱く凝集し、微結晶間
に小さな首部を形成し、そしてその微結晶の形状が等軸
でほぼ球形である場合には、TEMとBETの平均粒径
はほぼ等しくなるはずである。平均TEM微結晶寸法と
平均BET粒径は、ナノ構造材料を形成するのに十分に
弱い凝集を示すためには互いに30%以内になければな
らない。この方法で得られるナノ結晶は、ナノ結晶性材
料を製造するための他の従来技術の方法(すなわち、米
国特許第4,642,207号)よりもはるかに小さい
平均粒径及び狭い粒径分布を示す。
42,207号明細書に記載の方法とによって得られた
酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの比較を示すもの
である。どちらの方法もアークエネルギーを利用して前
駆体蒸気を発生させるものであるが、本発明の方法によ
る変更によって、粒径がより小さく且つ粒径分布がより
狭い良好なナノ結晶性材料が得られる。また、米国特許
第4,732,369号明細書で用いられているような
高周波誘導プラズマを付加しなくても粒径分布がより狭
くなったことにも着目すべきである。
のバルク団結によってもナノ結晶の分散によっても測定
することができる。ナノ結晶粉末の団結試験は、適量の
ナノ結晶性粉末をダイパンチ装置に装填し、そのパンチ
に1000〜40,000psi(約6.9×106 〜
約2.8×108 Pa)の圧力をかけることによって行
われる。得られたペレットは、その細孔粒径分布が粒径
分布と同等である場合にはナノ構造体である。バルクの
単結晶状態において光学的に透明である物質はナノ構造
材料としてもまた透明である。というのは、その材料の
粒子及び細孔は可視光の波長よりもはるかに小さい(す
なわち、50nm未満)からである。BETとTEMに
よる平均粒径をその平均細孔寸法及び分布幅と共に表3
に示す。凝集度の弱いナノ結晶を団結することにより透
明な試料を得ることができる。凝集のより強い(硬い)
ナノ結晶から調製すると不透明試料が得られ、粒子は小
さいが細孔の大きな材料が形成される。凝集は、チャン
バー14の中の注入位置、急冷/反応気体32の注入
量、及び円錐形混合ノズル42の中へ注入される気体の
量によって制御される。この種の細孔は、常用の焼結法
で取り除くことが困難な場合がある。
に発生する機械的エネルギーによって凝集体が破壊され
うるに十分に弱いことを確立するものである。ナノ結晶
材料を合成する他の発明に対する本発明の改良点は、酸
化チタンの細孔寸法分布、粒径分布及び細孔間隔規則性
を示す図12を参照すると最もよく理解できる。「別
法」を付したデータは米国特許第5,128,081号
明細書に記載されている方法で得られた酸化チタンのも
のである。未標識データは本発明の方法で得られた酸化
チタンのものである。図12(A)からわかるように、
本発明の方法を採用した場合のTEM粒径分布ははるか
に小さく且つ狭くなっている。図12(B)には、ナノ
結晶を団結すると、本発明の装置によって得られた酸化
チタンの細孔分布は、米国特許第5,128,081号
明細書に記載されている方法で得られたものよりもはる
かに小さいことが示されている。図13では、細孔間隔
の規則性がナノ構造材料の製造方法の信頼性及び再現性
をさらに例示している。また、本発明による方法の製造
速度は、米国特許第5,128,081号明細書に記載
されている方法の製造速度よりも100倍以上高く、本
発明の方法が商業的に成功しうる方法であることにも着
目すべきである。
50重量%含有する液体(水又はエチレングリコール)
に超音波プローブから超音波エネルギー(0.2〜1ワ
ット)を印加することによって達成される、未処理のナ
ノ結晶粉末の分散である。この超音波エネルギーにより
コロイド分散体が形成され、これは最低でも5ヵ月間は
分散した懸濁状態のままにある。この液体をさらに別の
液体で処理することによって、ナノ結晶はさらに長期間
にわたり懸濁状態のままにあることができる。この分散
試験によって、本発明の方法で得られたナノ結晶粉末の
凝集が弱いか、また純度が高く且つ粒子表面が清浄であ
るかどうかがわかる。
造方法を例示するものである。 実施例1 移動した(transferred) アークにおけるアノードとして
出発純度が既知(純度99〜99.99%)である直径
1/8〜3インチ(0.32〜7.62cm)のTi、
Al、Zr、Y、Fe、Cr、V、Cu、Si、Sn又
はZnの金属ロッドを使用した。カソードは2%トリウ
ム化−W電極とし、5〜100%窒素及び/又は5〜5
0%水素と組み合わせたアルゴン作用気体25〜100
cfhで遮蔽した。アークの電流は100〜750アン
ペアの範囲とした。このアークにより長さ1〜4インチ
(2.54〜10.16cm)のプラズマ尾炎が発生
し、アノード金属前駆体が蒸発した。移動したアークに
よって発生したプラズマ尾炎の中に1〜200g/時の
金属蒸気を注入した。プラズマ尾炎の内部では粒子核生
成が進行し、そしてその尾炎に10〜1000cfhの
酸素を注入し、出発物質の二次酸化物種を形成させた。
作用気体中に存在する水素により水蒸気が形成され、完
全に酸化された材料が得られた。さらに冷却し、酸素の
存在と高温によって金属酸化物セラミックス粒子を形成
させた。後に、急冷気体(1〜1000cfm)を空気
又は空気の個別成分(O2 、N2 、H2 、H2 O、CO
2 )の形態で添加し、粒子をさらに冷却し且つ硬い凝集
を防止した。ナノ結晶性粉末を集めると、一次凝結体の
大きさは典型的には1〜50nmであり、また凝集体の
大きさは典型的には10〜100nmであった。
である直径1/8〜3インチ(0.32〜7.62c
m)のTi又はAlの金属ロッドを使用した。カソード
は2%トリウム化−W電極とし、5〜100%窒素又は
5〜50%水素と組み合わせたアルゴン作用気体25〜
100cfhで遮蔽した。アーク電流は100〜750
アンペアの範囲とした。このアークによって、長さ1〜
4インチ(2.54〜10.16cm)のプラズマ尾炎
が発生し、アノード金属前駆体が蒸発した。移動したア
ークによって発生したプラズマ尾炎の中に1〜200g
/時の金属蒸気を注入した。プラズマ尾炎の内部では粒
子核生成が進行し、その尾炎に10〜400cfhの窒
素を注入し、出発物質の窒化物種を形成させた。さらに
冷却し、窒素の存在と高温によって窒化物セラミックス
粒子を形成させた。後に、急冷気体(1〜1000cf
m)をN2 、Ar又はHeの形態で添加し、該粒子をさ
らに冷却し且つ硬い凝集を防止した。ナノ結晶性粉末を
集めると、一次凝結体の大きさは典型的には1〜50n
mであり、また凝集体の大きさは典型的には10〜10
0nmであった。
混合した。次いで、その粉末を加圧及び焼結によって直
径1/2〜3インチ(1.27〜7.62cm)のロッ
ドにした。このロッドは導電性であり、移動アークにお
けるアノードとして使用した。カソードは2%トリウム
化−W電極とし、5〜100%窒素又は5〜50%水素
と組み合わせたアルゴン作用気体25〜100cfhで
遮蔽した。アーク電流は100〜750アンペアの範囲
とした。このアークによってアノードが蒸発し、移動ア
ークによって発生した長さ1〜4インチ(2.54〜1
0.16cm)のプラズマ尾炎の中にアノード蒸気1〜
200g/時を注入した。プラズマ尾炎の内部では粒子
核生成が進行し、その尾炎に10〜1000cfhの酸
素を注入して冷却し、金属酸化物セラミックス粒子を形
成させた。後に急冷気体(1〜1000cfm)を空気
又は空気の個別成分(O2 、N2 、H2 、H 2 O、CO
2 )の形態で添加し、該粒子をさらに冷却し且つ硬い凝
集を防止した。ナノ結晶性粉末を集めると、一次凝結体
の大きさは典型的には1〜50nmであり、また凝集体
の大きさは典型的には10〜100nmであった。
パンチ装置で5〜50kpsi(約3.4×107 〜
3.4×108 Pa)の圧力をかけて一軸方向に団結さ
せた。得られたバルク試料はそのバルク理論値の40〜
50%の密度を示した。その圧縮体の多孔性は細孔が1
〜50nmの範囲にある狭い大きさ分布を示した。団結
した試料を900℃付近の温度に加熱すると、その多孔
性は、狭い分布を残したまま、細孔分離間隔が試料全体
にわたり一定となるように秩序化した。この秩序化は、
図14に示したように、小角中性子散乱(SANS)を
利用することにより検出することができた。図13に示
したように、この秩序化により、良好に画定された細孔
間隔分布が得られる。
一態様である。
別の態様である。
の一態様である。
の別の態様である。
ットを示し、また(B)は、TiO2 ナノ構造材料のX
線回折プロットを示す。
造した酸化チタンのエネルギー分散X線分析出力を示
し、また(B)は、作用気体に酸素を用いて製造した酸
化チタンのものを示す。
を乱流混合するためのノズルの上面図を示す。
するための混合ノズルを示す。
急冷/反応気体流速のグラフを示す。
速に対するナノ結晶性粒子の大きさのグラフを示し、ま
た(B)は、溶融アノード位置を基準とした急冷/反応
気体注入地点に対するナノ結晶性粒子の大きさのグラフ
を示し、そして(C)は、チタニアの製造速度を示す。
により製造されたナノ結晶性材料の粒径分布を示し、ま
た(B)は、従来技法と比較した場合の本発明により製
造されたナノ結晶性材料の細孔径に対する細孔体積を示
す。
孔の大きさの間隔の分布を示す。
理前後のナノ結晶性材料に特徴的な小角中性子散乱を示
す。
Claims (7)
- 【請求項1】 金属、半導体及びセラミックスから成る
群より選ばれたナノ結晶性エアロゾルを発生させるため
の手段を含有するチャンバーと、 前記チャンバー内に配置された非消費性カソードであっ
て、前記カソードを化学反応から遮蔽し且つ電離アーク
を延長させる作用気体流を提供するための手段を有する
非消費性カソードと、 前記チャンバー内に配置され、前記電離アークによって
気化可能な物質を提供するための、前記カソードに対し
てある角度で傾斜された消費性アノードと、 前記電離アークの少なくとも一つの地点に急冷気体及び
反応気体の少なくとも一方を注入して前記アークをその
注入地点において消失せしめ、よってアーク末端を確立
するための第一注入手段と、 前記急冷気体及び反応気体の少なくとも一方の注入によ
り消失されたアーク末端を越えた下流の地点において前
記ナノ結晶性エアロゾル中に冷却気体流を注入するため
の第二注入手段と、 反応帯域の形成、前記ナノ結晶性エアロゾルの発生及び
ナノ結晶性材料の合成を可能ならしめるべく前記アノー
ドと前記カソードに電力を供給するための手段とを含
む、ナノ結晶性材料を合成するための装置。 - 【請求項2】 前記作用気体、急冷気体及び反応気体の
少なくとも一種の流速を制御する手段をさらに含む、請
求項1に記載の装置。 - 【請求項3】 前記反応気体が、窒素、酸素、炭素含有
気体及びこれらの混合物から成る群より選ばれた、請求
項1に記載の装置。 - 【請求項4】 前記作用気体が、窒素、水素及びこれら
の混合物から成る群より選ばれた、請求項1に記載の装
置。 - 【請求項5】 前記作用気体が5〜50体積%の気体水
素と不活性気体とから本質的に成る、請求項4に記載の
装置。 - 【請求項6】 前記エアロゾルを冷却するために前記反
応帯域において生成した前記エアロゾルを乱流混合する
ためのサイクロン式混合器と、 前記装置内を流れる気体からナノ結晶性材料を濾過する
ための手段とをさらに含む、請求項1に記載の装置。 - 【請求項7】 前記第一注入手段が、前記細長いアーク
の位置に沿って配置可能な同心気体注入装置を含む、請
求項1に記載の装置。
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