JP4730686B2 - Carbon fiber cutting and processing methods - Google Patents
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Description
本発明は、カーボン繊維の切断・加工方法に関する。
The present invention relates to a method for cutting and processing carbon fibers .
マリモカーボン（特許文献１参照）、カーボンナノフィラメント（特許文献２参照）、或いは、カーボンナノチューブといった炭素原子から成るナノ（ｎｍ）オーダーの特異な構造を有するカーボン繊維は、その特異な構造に基づく効果を生かした種々の応用が始まっており、例えば、水素吸着剤、電気二重層キャパシタの分極性電極、電子銃、或いは、原子間力顕微鏡の探針等へ応用され始めている。
ところで、これらのカーボン繊維の構造は様々であるが、いずれも単層グラファイト層で構成されており、グラファイト層のグラファイト・エッジは、水素吸着位置として作用し、また、電気二重層キャパシタの分極性電極として用いた場合に電気二重層の形成される位置として作用する（特許文献３参照）。従って、カーボン繊維の水素吸着能力や電気二重層コンデンサの蓄電容量を向上するために、グラファイト・エッジを高密度に有するカーボン繊維が求められている。
例えば、マリモカーボンは、粒径が５００ｎｍ以下の酸化ダイヤモンドを核としてカーボンナノチューブが放射状に成長した、径がμｍオーダーの球状の微粒子、すなわちマリモ状のカーボン繊維であるが、カーボンナノチューブが核の回りに極めて高密度に成長しており、これらのカーボンナノチューブの先端にグラファイト・エッジがあるため、マリモカーボンを分極性電極として用いた電気二重層キャパシタは、活性炭を分極性電極に用いた従来の電気二重層キャパシタよりも蓄電容量が大きいことが見出され（特許文献４参照）注目を集めている。
By the way, although the structure of these carbon fibers is various, all are composed of a single layer graphite layer, the graphite edge of the graphite layer acts as a hydrogen adsorption position, and the polarizability of the electric double layer capacitor When used as an electrode, it acts as a position where an electric double layer is formed (see Patent Document 3). Therefore, in order to improve the hydrogen adsorption capacity of carbon fibers and the storage capacity of electric double layer capacitors, carbon fibers having a high density of graphite edges are required.
For example, marimocarbon is a spherical fine particle with a diameter of μm, that is, carbon nanotubes grown radially with diamond oxide having a particle size of 500 nm or less as a nucleus, ie, carbon nanotubes around the nucleus. The carbon double-walled capacitor using marimocarbon as a polarizable electrode is a conventional electric cell that uses activated carbon as a polarizable electrode. It has been found that the storage capacity is larger than that of the double layer capacitor (see Patent Document 4), and has attracted attention.
しかしながら、マリモカーボンのカーボンナノチューブは、先端が開口しているものもあれば、シームレスに閉じられているものもあり、先端が閉じているカーボンナノチューブはグラファイト・エッジを有さないので水素吸着位置や電気二重層の形成位置として作用しない。
このため、水素吸着能力や電気二重層コンデンサの蓄電容量をさらに向上するために、グラファイト・エッジをさらに高密度に有するカーボン繊維の合成方法が研究されているが、一方、従来のカーボン繊維を加工してグラファイト・エッジを増やすことも一つの方法である。例えば、マリモカーボンのカーボンナノチューブの先端部分を切断できれば、全てのカーボンナノチューブがグラファイト・エッジを有することになり、水素吸着能力や電気二重層コンデンサの蓄電容量を飛躍的に向上することができる。
However, some of the carbon nanotubes of marimo carbon are open at the end, and others are closed seamlessly. Since the carbon nanotubes with the closed end do not have a graphite edge, It does not act as the formation position of the electric double layer.
For this reason, in order to further improve the hydrogen adsorption capacity and the storage capacity of electric double layer capacitors, methods for synthesizing carbon fibers having a higher density of graphite edges have been studied. Increasing the graphite edge is one way. For example, if the tip portion of the carbon nanotube of marimo carbon can be cut, all the carbon nanotubes will have a graphite edge, and the hydrogen adsorption capacity and the storage capacity of the electric double layer capacitor can be dramatically improved.
しかしながら、カーボン繊維、例えばカーボンナノチューブは、カーボンからなるナノオーダーの構造体であり、この構造体を所望の位置で切断でき、且つ、切断後においてもこのカーボン構造体の構造に基づく特性を失わないように切断できる方法は、従来知られていない。
例えば、粉体のマリモカーボンのカーボンナノチューブを切断しようとした場合、カーボンナノチューブの長さは数μｍ、径は数十ｎｍであるから、機械的に切断することはもちろん不可能であり、また、微細な光束のレーザー光を使用した場合には、光束が照射された部位のみならず、カーボンナノチューブ全体が瞬時に加熱されてしまうために、カーボンナノチューブ全体が蒸発してしまうか、蒸発しないまでも構造が変形し、切断後においてもカーボン繊維の構造に基づく特性を保持することは困難である。
このように、従来、カーボン繊維を切断し、切断後においてもカーボン繊維の構造に基づく特性を失わないように切断する方法はなかった。
However, carbon fibers, such as carbon nanotubes, are nano-order structures made of carbon, which can be cut at a desired position, and the characteristics based on the structure of the carbon structure are not lost even after cutting. A method that can be cut in this manner has not been known.
For example, when trying to cut carbon nanotubes of powdered marimocarbon, since the length of the carbon nanotube is several μm and the diameter is several tens of nm, it is of course impossible to cut mechanically, When a laser beam with a fine luminous flux is used, not only the part irradiated with the luminous flux but also the entire carbon nanotube is heated instantaneously, so that the entire carbon nanotube may or may not evaporate. The structure is deformed, and it is difficult to maintain the characteristics based on the structure of the carbon fiber even after cutting.
Thus, conventionally, there has been no method of cutting carbon fibers and cutting them so as not to lose characteristics based on the structure of the carbon fibers even after cutting.
また、カーボンナノチューブは、半導体又は金属の電気的特性を示すため、ｎｍスケールの電子回路の配線材料や能動素子材料として従来から期待されてきたが、配線、或いは能動素子として機能させるためにはその形状を所望の形状に精密に加工できることが必要不可欠である。
しかしながら、カーボンナノチューブの所望の位置を切断でき、且つ、カーボンナノチューブの特性を損なわずに切断できる方法がないため、未だに実現されていない。
In addition, carbon nanotubes have been expected as a wiring material or active element material for nm-scale electronic circuits because they exhibit electrical characteristics of semiconductors or metals. However, in order to function as a wiring or active element, carbon nanotubes have been expected. It is essential that the shape can be precisely processed into a desired shape.
However, since there is no method that can cut a desired position of the carbon nanotube without damaging the characteristics of the carbon nanotube, it has not been realized yet.
また、従来から、カーボンナノチューブは径が極めて小さいために、電子銃の電子放出端や原子間力顕微鏡の探針に用いれば、極めて高効率の電子銃や原子間力顕微鏡が実現すると期待されてきた。しかしながら、電子銃や原子間力顕微鏡の探針に用いるためには、電子銃の電子放出端や探針の曲率が極めて大きいことが要求されるが、先端が閉じたカーボンナノチューブの曲率では十分ではなく、先端が開口したカーボンナノチューブが求められる。しかしながら、先端が開口したカーボンナノチューブを再現性良く製造することは難しい。一方、先端が閉じたカーボンナノチューブであっても、カーボンナノチューブの軸に垂直な断面が得られ、且つ、切断後においてもカーボンナノチューブの構造に基づく特性が保持されるように切断できれば、極めて高効率な電子銃や探針が得られる。
しかしながら、垂直な断面が得られるように切断でき、且つ、カーボンナノチューブの特性を損なわずに切断できる方法がないため、未だに実現されていない。
In addition, since carbon nanotubes have a very small diameter, it has been expected that extremely efficient electron guns and atomic force microscopes will be realized if they are used in the electron emission end of an electron gun or the probe of an atomic force microscope. It was. However, in order to be used for the probe of an electron gun or an atomic force microscope, the curvature of the electron emission end and the probe of the electron gun is required to be extremely large, but the curvature of the carbon nanotube with the closed tip is not sufficient. There is a need for carbon nanotubes with open ends. However, it is difficult to produce carbon nanotubes with open ends with good reproducibility. On the other hand, even if the carbon nanotube has a closed end, if the cross section perpendicular to the axis of the carbon nanotube can be obtained and it can be cut so that the characteristics based on the structure of the carbon nanotube are maintained even after cutting, the efficiency is extremely high. Can get a good electron gun and probe.
However, it has not been realized yet because there is no method that can be cut so as to obtain a vertical cross section and can be cut without impairing the characteristics of the carbon nanotube.
上記説明から理解されるようにカーボン繊維は、既存の材料にはない優れた潜在能力を有しているが、この潜在能力を発揮できる有用な材料や部品とするためには、ナノオーダーのカーボン構造体であるカーボン繊維の所望の位置を切断・加工でき、且つ、カーボン繊維の構造に基づく特性を損なうことなく切断又は加工できる方法が必要不可欠である。しかしながら、従来そのような方法は知られていないという課題がある。 As can be understood from the above description, carbon fibers have an excellent potential that existing materials do not have, but in order to make useful materials and parts that can exhibit this potential, nano-order carbon A method capable of cutting and processing a desired position of the carbon fiber as a structure and cutting or processing without impairing the characteristics based on the structure of the carbon fiber is indispensable. However, there is a problem that such a method has not been known.
それ故、本発明は、ナノオーダーのカーボン構造体であるカーボン繊維の所望の位置を切断又は加工でき、且つ、カーボン繊維の構造に基づく特性を損なうことなく切断又は加工し得る方法を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention provides a method capable of cutting or processing a desired position of a carbon fiber, which is a nano-order carbon structure, and cutting or processing without damaging the properties based on the structure of the carbon fiber. With the goal.
上記目的を達成するため、本発明のカーボン繊維の切断・加工方法は、所定の圧力の酸化性ガス雰囲気中で、所定の条件の電子ビームをカーボン繊維に照射して、カーボン繊維と酸化性ガスとの酸化反応によりカーボン繊維を切断又は加工するもので、酸化性雰囲気の圧力を、電子ビームが照射されている部位のカーボン繊維と酸化性ガスとが酸化反応を生ずる圧力とし、電子ビームを、カーボン繊維へ衝突する際の上記電子ビームのエネルギーが該カーボン繊維に損傷を与えない条件としたことを特徴とする。
電子ビームの照射は、スポット照射、ライン走査照射又は領域照射であればよい。酸化性ガスは、酸素ガス、亜酸化窒素ガス又は空気であればよい。また、本発明の方法によって切断・加工できるカーボン繊維は、例えば、マリモカーボン、カーボンナノフィラメント又はカーボンナノチューブである。
In order to achieve the above object, the carbon fiber cutting and processing method of the present invention irradiates the carbon fiber with an electron beam under a predetermined condition in an oxidizing gas atmosphere at a predetermined pressure, and thereby the carbon fiber and the oxidizing gas. The carbon fiber is cut or processed by an oxidation reaction with, and the pressure of the oxidizing atmosphere is the pressure at which the carbon fiber and the oxidizing gas at the site irradiated with the electron beam cause an oxidation reaction, It is characterized in that the energy of the electron beam when colliding with the carbon fiber is set so as not to damage the carbon fiber.
The electron beam irradiation may be spot irradiation, line scanning irradiation, or area irradiation. The oxidizing gas may be oxygen gas, nitrous oxide gas, or air. The carbon fiber that can be cut and processed by the method of the present invention is, for example, marimocarbon, carbon nanofilament, or carbon nanotube.
酸化性ガスの所定の圧力は２６〜２６００Ｐａが好ましく、電子ビームの所定の条件は電子ビームの出射端とカーボン繊維との距離が３０〜５０ｃｍでビーム径が１０〜３０ｎｍの場合には、電子銃の加速電圧が３〜３０ｋＶ、照射電流量が１０〜１００ｎＡが好ましい。 The predetermined pressure of the oxidizing gas is preferably 26 to 2600 Pa, and the predetermined condition of the electron beam is that when the distance between the emission end of the electron beam and the carbon fiber is 30 to 50 cm and the beam diameter is 10 to 30 nm, the electron gun The acceleration voltage is preferably 3 to 30 kV and the irradiation current amount is preferably 10 to 100 nA.
この方法の作用は以下のように考えられる。
本発明の方法に於ける所定の条件の酸化性ガスの圧力は電子ビームが照射されている部位のカーボン繊維と酸化性ガスとが酸化反応を生ずる圧力である。また、本発明の方法に於ける電子ビームの所定の条件は、電子ビームがカーボン繊維へ衝突する際の電子ビームの運動エネルギーがカーボン繊維に損傷を与えない条件の電子ビームであり、例えば、走査型電子顕微鏡の試料室にカーボン繊維を真空（１３Ｐａ以下）で保持してカーボン繊維像を観測した際に、観測によってカーボン繊維に蒸発、溶解、変形等の損傷が生じない範囲の、カーボン繊維に電子が衝突する際に有している運動エネルギー及びその電子の個数である。
このため、電子ビームが照射されている部位のカーボン繊維は損傷を生ずるほど励起されてはいないが、二次電子を放出する程度には励起されており、二次電子を放出できる励起状態は炭素原子と酸化性ガスとの酸化反応が自発的に生ずる励起状態でもあるためと考えられる。すなわち、電子ビームが照射されている部位の炭素原子のみが酸化性ガスと化学的に反応し、一酸化炭素或いは二酸化炭素ガスとなって蒸発することによって、カーボン繊維が切断・加工される。この切断・加工は化学反応による切断・加工であるため、機械的切断・加工や熱的切断・加工と異なり、切断箇所以外の部位に損傷を与えることが極めて少なく、このため、カーボン繊維の構造に基づく特性を損なうことなく切断・加工できるものと考えられる。
The effect of this method is considered as follows.
The pressure of the oxidizing gas under a predetermined condition in the method of the present invention is a pressure at which an oxidation reaction occurs between the carbon fiber and the oxidizing gas at the site irradiated with the electron beam. Further, the predetermined condition of the electron beam in the method of the present invention is an electron beam under a condition that the kinetic energy of the electron beam when the electron beam collides with the carbon fiber does not damage the carbon fiber. When a carbon fiber image is observed while holding the carbon fiber in a sample chamber of a scanning electron microscope in a vacuum (13 Pa or less), the carbon fiber is within a range in which the carbon fiber is not damaged by evaporation, dissolution, deformation, etc. by observation. It is the kinetic energy that electrons have when they collide and the number of electrons.
For this reason, the carbon fiber at the site irradiated with the electron beam is not excited enough to cause damage, but is excited to the extent that secondary electrons are emitted, and the excited state capable of emitting secondary electrons is carbon. This is considered to be due to the excited state in which the oxidation reaction between atoms and oxidizing gas occurs spontaneously. That is, only the carbon atom at the site irradiated with the electron beam chemically reacts with the oxidizing gas and evaporates as carbon monoxide or carbon dioxide gas, whereby the carbon fiber is cut and processed. Since this cutting / processing is a chemical reaction-based cutting / processing, unlike mechanical cutting / processing and thermal cutting / processing, there is very little damage to the part other than the cutting part. It is considered that cutting and processing can be performed without impairing the characteristics based on the above.
また、本発明の方法は電子ビームを用いるので、昨今の走査型電子顕微鏡の電子ビーム走査技術に見られるように、ビーム径は数十ｎｍ以下に絞ることができ、照射位置は数十ｎｍの精度で制御でき、また、スポット照射やライン走査照射ができるので、カーボン繊維の所望の位置を電子ビーム径の切代で切断・加工することができる。また領域走査照射を利用すれば、走査領域の形状にカーボン繊維を切断・加工することができる。 Further, since the method of the present invention uses an electron beam, the beam diameter can be reduced to several tens of nm or less, and the irradiation position is several tens of nm as seen in the electron beam scanning technology of recent scanning electron microscopes. Since it can be controlled with accuracy, and spot irradiation and line scanning irradiation can be performed, a desired position of the carbon fiber can be cut and processed by cutting the electron beam diameter. If area scanning irradiation is used, the carbon fiber can be cut and processed into the shape of the scanning area.
カーボン繊維の切断・加工装置は、真空槽と、真空槽内に配設したカーボン繊維を載置する載置台と、載置台に載置するカーボン繊維に電子ビームを照射する電子銃と、電子銃の電子ビームを走査する走査部と、真空槽の真空度を制御する排気部と、真空槽に酸化性ガスを導入するガス導入部と、から成ることを特徴とする。
上記構成に加え、さらに、カーボン繊維に電子ビームを照射して発生する二次電子及び／又は反射電子の強度を検出する検出器と、検出器の出力を画像に構成する画像構成部を有していても良い。
Carbon fiber cutting and processing apparatus includes a vacuum chamber, a mounting table for mounting carbon fibers disposed in the vacuum chamber, an electron gun for irradiating an electron beam on the carbon fiber mounted on the mounting table, and an electron gun It comprises a scanning unit that scans the electron beam, an exhaust unit that controls the degree of vacuum of the vacuum chamber, and a gas introduction unit that introduces an oxidizing gas into the vacuum chamber.
In addition to the above configuration, the detector further includes a detector that detects the intensity of secondary electrons and / or reflected electrons generated by irradiating the carbon fiber with an electron beam, and an image configuration unit that configures the output of the detector into an image. May be.
この装置によれば、カーボン繊維を載置台に載置し、酸化性ガス導入部から酸化性ガスを真空槽に導入し、酸化性ガスの圧力を排気部により上記方法で説明した所定の圧力に制御し、上記方法で説明した所定の条件の電子ビームを走査部によりカーボン繊維の所望の位置に照射することによって、カーボン繊維の所望の位置を、カーボン繊維の構造に基づく特性を損なうことなく切断・加工することができる。
またさらに、カーボン繊維に電子ビームを照射して発生する二次電子及び／又は反射電子の強度を検出する検出器と、検出器の出力を画像に構成する画像構成部を有する場合には、載置台に載置したカーボン繊維を、真空状態で二次電子像又は反射電子像として観測し、この観測から切断・加工箇所を決定し、切断・加工箇所の座標データにより走査部を駆動することにより、決定した切断・加工箇所に電子ビームを照射しても良い。
この場合には、極めて精密な切断・加工が可能になり、例えば、カーボンナノチューブを所望の長さに切断・加工することができる。
According to this apparatus, the carbon fiber is placed on the mounting table, the oxidizing gas is introduced into the vacuum chamber from the oxidizing gas introduction unit, and the pressure of the oxidizing gas is set to the predetermined pressure described in the above method by the exhaust unit. By controlling and irradiating the desired position of the carbon fiber by the scanning unit with the electron beam of the predetermined condition described in the above method, the desired position of the carbon fiber is cut without impairing the characteristics based on the structure of the carbon fiber.・ Can be processed.
Furthermore, when the detector has a detector for detecting the intensity of secondary electrons and / or reflected electrons generated by irradiating the carbon fiber with an electron beam, and an image forming unit for configuring the output of the detector into an image, it is mounted. By observing the carbon fiber placed on the table as a secondary electron image or reflected electron image in a vacuum state, determining the cutting / processing position from this observation, and driving the scanning unit with the coordinate data of the cutting / processing position The determined cutting / processing site may be irradiated with an electron beam.
In this case, extremely precise cutting / processing is possible. For example, carbon nanotubes can be cut / processed to a desired length.
本発明のカーボン繊維の切断・加工方法によれば、カーボン繊維の所望の位置を切断することが可能で、且つ、カーボン繊維の構造に基づく特性を損なうことなく切断・加工することができる。
According to the carbon fiber cutting and processing method of the present invention, it is possible to cut a desired position of the carbon fiber, and it is possible to cut and process the carbon fiber without damaging the characteristics based on the structure of the carbon fiber.
以下、本発明のカーボン繊維の切断・加工方法及びカーボン繊維の切断・加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。
初めに本発明のカーボン繊維の切断・加工装置を説明する。
図１は本発明のカーボン繊維の切断・加工装置の構成を示す図である。本発明のカーボン繊維の切断・加工装置１は、真空槽２と、真空槽２内に配設した、カーボン繊維３を載置する載置台４と、載置台４に載置するカーボン繊維３に電子ビーム５を照射する電子銃６と、電子銃６の電子ビームを走査する走査部７と、真空槽２の真空度を制御する排気部８と、真空槽２に酸化性ガスを導入するガス導入部９とから構成される。
上記構成に加え、カーボン繊維３に電子ビーム５を照射して発生する二次電子及び／又は反射電子の強度を検出する検出器１０と、検出器１０の出力を画像に構成する画像構成部１１を有していても良い。
Hereinafter, the carbon fiber cutting and processing method and the carbon fiber cutting and processing apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the carbon fiber cutting / processing apparatus of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a carbon fiber cutting / processing apparatus according to the present invention. The carbon fiber cutting / processing apparatus 1 according to the present invention includes a vacuum chamber 2, a mounting table 4 for mounting the carbon fiber 3 disposed in the vacuum chamber 2, and a carbon fiber 3 mounted on the mounting table 4. An electron gun 6 that irradiates the electron beam 5, a scanning unit 7 that scans the electron beam of the electron gun 6, an exhaust unit 8 that controls the degree of vacuum of the vacuum chamber 2, and a gas that introduces an oxidizing gas into the vacuum chamber 2 And an introduction unit 9.
In addition to the above configuration, a detector 10 that detects the intensity of secondary electrons and / or reflected electrons generated by irradiating the carbon fiber 3 with the electron beam 5, and an image configuration unit 11 that configures the output of the detector 10 as an image. You may have.
カーボン繊維の切断・加工装置１を動作するには、カーボン繊維３を載置台４に載置し、酸化性ガス導入部９から酸化性ガスを真空槽２に導入し、酸化性ガスの圧力を排気部８により所定の圧力に制御して、所定の条件の電子ビーム５を走査部７によりカーボン繊維３の所望の位置に照射することによって、カーボン繊維３の所望の位置を、カーボン繊維３の構造に基づく特性を損なうことなく切断・加工する。 In order to operate the carbon fiber cutting / processing apparatus 1, the carbon fiber 3 is placed on the mounting table 4, an oxidizing gas is introduced into the vacuum chamber 2 from the oxidizing gas introduction unit 9, and the pressure of the oxidizing gas is increased. By controlling the exhaust unit 8 to a predetermined pressure and irradiating the desired position of the carbon fiber 3 by the scanning unit 7 with the electron beam 5 under a predetermined condition, the desired position of the carbon fiber 3 Cutting and processing without damaging the characteristics based on the structure.
またさらに、カーボン繊維の切断・加工装置１が、カーボン繊維３に電子ビーム５を照射して発生する二次電子及び／又は反射電子の強度を検出する検出器１０と、検出器１０の出力を画像に構成する画像構成部１１を備える場合には、載置台４に載置したカーボン繊維３を、真空状態で二次電子像又は反射電子像として観測し、この観測から切断・加工箇所を決定し、切断・加工箇所の座標データにより走査部７を駆動することで、決定した切断・加工箇所に電子ビームを照射しても良い。
この場合には、極めて精密な切断・加工が可能になり、例えば、カーボンナノチューブを所望の長さに切断・加工することができる。
Furthermore, the carbon fiber cutting / processing apparatus 1 detects the intensity of secondary electrons and / or reflected electrons generated by irradiating the carbon fiber 3 with the electron beam 5, and outputs the output of the detector 10. When the image forming unit 11 configured in an image is provided, the carbon fiber 3 mounted on the mounting table 4 is observed as a secondary electron image or a reflected electron image in a vacuum state, and a cutting / processing part is determined from this observation. Then, by driving the scanning unit 7 with the coordinate data of the cutting / processing part, the determined cutting / processing part may be irradiated with the electron beam.
In this case, extremely precise cutting / processing is possible. For example, carbon nanotubes can be cut / processed to a desired length.
酸化性ガス雰囲気の所定の圧力の設定は、電子ビームが照射されている部位のカーボン繊維と酸化性ガスとが酸化反応を生ずる圧力で、例えば、約２６Ｐａから約２６００Ｐａの範囲に設定することが好ましい。約２６Ｐａ以下であると酸化反応が実質的に生じず、また、電子ビームの出射端とカーボン繊維との距離が３０〜５０ｃｍの場合に約２６００Ｐａを超えると、酸化性ガスによる電子ビームの散乱が大きくなり、必要とする電子ビームの加速電圧が極めて大きくなり実質的に困難である。
所定の条件の電子ビームの設定は、電子ビームがカーボン繊維へ衝突する際の運動エネルギーが、カーボン繊維に損傷を与えない条件の電子ビームで、酸化性ガス雰囲気の圧力が約２６〜約２６００Ｐａであり、電子ビームの出射端とカーボン繊維との距離が３０〜５０ｃｍであり、所定のビーム径が１０〜３０ｎｍの場合には、電子銃の加速電圧が３〜３０ｋＶ、照射電流量が１０〜１００ｎＡに設定すれば好ましい。
もちろん、電子ビームの出射端とカーボン繊維との距離やビーム径が異なれば、電子銃の所定の加速電圧、照射電流及び酸化性ガスの所定の圧力は変化する。
The predetermined pressure of the oxidizing gas atmosphere is set to a pressure at which the carbon fiber and the oxidizing gas irradiated with the electron beam undergo an oxidation reaction, and may be set in a range of about 26 Pa to about 2600 Pa, for example. preferable. When the pressure is about 26 Pa or less, oxidation reaction does not substantially occur, and when the distance between the emission end of the electron beam and the carbon fiber is 30 to 50 cm and exceeds about 2600 Pa, scattering of the electron beam by the oxidizing gas occurs. The required acceleration voltage of the electron beam becomes extremely large and is substantially difficult.
The setting of the electron beam under a predetermined condition is that the kinetic energy when the electron beam collides with the carbon fiber is such that the carbon fiber is not damaged, and the pressure of the oxidizing gas atmosphere is about 26 to about 2600 Pa. Yes, when the distance between the emission end of the electron beam and the carbon fiber is 30 to 50 cm and the predetermined beam diameter is 10 to 30 nm, the acceleration voltage of the electron gun is 3 to 30 kV and the irradiation current amount is 10 to 100 nA. Is preferable.
Of course, if the distance between the electron beam emitting end and the carbon fiber and the beam diameter are different, the predetermined acceleration voltage, irradiation current, and predetermined pressure of the oxidizing gas of the electron gun change.
電子ビームが照射されている部位のカーボン繊維は損傷を生ずるほど励起されてはいないが、二次電子を放出する程度には励起されており、二次電子を放出できる励起状態は炭素原子と酸化性ガスとの酸化反応が自発的に生ずる励起状態でもある。すなわち、電子ビームが照射されている部位の炭素原子のみが酸化性ガスと化学的に反応し、一酸化炭素或いは二酸化炭素ガスとなって蒸発することによって、カーボン繊維が切断・加工される。この切断・加工は化学反応による切断・加工であるため、機械的切断・加工や熱的切断・加工と異なり、切断箇所以外の部位に損傷を与えることが極めて少なく、このため、カーボン繊維の構造に基づく特性を損なうことなく切断・加工することが可能である。 The carbon fiber at the site irradiated with the electron beam is not excited enough to cause damage, but is excited to the extent that secondary electrons are emitted, and the excited state that can emit secondary electrons is oxidized with carbon atoms. It is also an excited state in which an oxidation reaction with a reactive gas occurs spontaneously. That is, only the carbon atom at the site irradiated with the electron beam chemically reacts with the oxidizing gas and evaporates as carbon monoxide or carbon dioxide gas, whereby the carbon fiber is cut and processed. Since this cutting / processing is a chemical reaction-based cutting / processing, unlike mechanical cutting / processing and thermal cutting / processing, there is very little damage to the part other than the cutting part. It is possible to cut and process without damaging the characteristics based on the above.
また、電子ビームの照射モードは、スポット照射、ライン走査照射又は領域照射であればよい。スポット照射やライン走査照射を用いれば、カーボン繊維の所望の位置を電子ビーム径の切代で切断・加工できる。また領域走査照射を用いれば、走査領域の形状にカーボン繊維を・加工できる。
また、切断・加工できるカーボン繊維は、例えば、マリモカーボン、カーボンナノフィラメント又はカーボンナノチューブである。
The electron beam irradiation mode may be spot irradiation, line scanning irradiation, or area irradiation. If spot irradiation or line scanning irradiation is used, a desired position of the carbon fiber can be cut and processed by cutting the electron beam diameter. If area scanning irradiation is used, carbon fibers can be processed into the shape of the scanning area.
The carbon fiber that can be cut and processed is, for example, marimocarbon, carbon nanofilament, or carbon nanotube.
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
図１に示した本発明の装置を用いて本発明の方法によりマリモカーボンのカーボンナノチューブを切断した。
酸化性ガスは酸素ガスを１７００Ｐａの圧力で用いた。電子線の径は約２０ｎｍ、加速電圧は１５ｋＶ、照射電流（電子銃から放出される電子の単位時間あたりの数を電流に換算した値）は約１０ｎＡである。同一の箇所をライン走査（ｌｉｎｅ ｓｃａｎ）で照射し、走査速度は約１μｍ／ｓｅｃであり、走査回数は、約１００回である。
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
The carbon nanotubes of marimocarbon were cut by the method of the present invention using the apparatus of the present invention shown in FIG.
As the oxidizing gas, oxygen gas was used at a pressure of 1700 Pa. The diameter of the electron beam is about 20 nm, the acceleration voltage is 15 kV, and the irradiation current (the value obtained by converting the number of electrons emitted from the electron gun per unit time into current) is about 10 nA. The same part is irradiated by line scanning, the scanning speed is about 1 μm / sec, and the number of scans is about 100 times.
図２は本発明の方法による、マリモカーボンの切断前後の走査電子顕微鏡像を示す図であり、（ａ）は切断前、（ｂ）は切断後を示す。図２（ｂ）中の白線は電子ビームが通過した位置、すなわち切断面を示す。
図２（ｂ）に見られる切断後のマリモカーボンは溶融や変形が全く見られず、同（ａ）に見られる切断前のマリモカーボンと比べて右半分が無いだけであることがわかる。また、切断面は電子ビームの通過する面に沿って、あたかもリンゴを鋭利なナイフで切断したように、スッパリと切断されていることがわかる。
このことから、本発明の方法は、照射電子によって励起された炭素原子と酸化性ガスとの化学反応による切断であるため、機械的切断や熱的切断とは異なり、切断部位以外の部位に損傷を与えることが極めて少なく、このため、カーボン繊維の構造に基づく特性を損なうことなく切断できることがわかる。
2A and 2B are diagrams showing scanning electron microscope images before and after cutting of marimocarbon by the method of the present invention. FIG. 2A shows before cutting and FIG. 2B shows after cutting. The white line in FIG. 2B indicates the position where the electron beam has passed, that is, the cut surface.
It can be seen that the marimocarbon after cutting seen in FIG. 2 (b) is not melted or deformed at all, and only the right half is not present as compared with the marimocarbon before cutting seen in FIG. 2 (a). Moreover, it turns out that the cut surface is cut | disconnected as if the apple was cut | disconnected with the sharp knife along the surface through which an electron beam passes.
From this, the method according to the present invention is a cutting by a chemical reaction between a carbon atom excited by irradiated electrons and an oxidizing gas, and therefore, unlike mechanical cutting or thermal cutting, damage is caused to a part other than the cutting part. Therefore, it can be seen that cutting can be performed without impairing the characteristics based on the structure of the carbon fiber.
図３は図２（ｂ）に示した切断後のマリモカーボンの高倍率の走査電子顕微鏡像を示す図である。図において、曲がりくねった像は、マリモカーボンの酸化ダイヤモンドから放射状に成長したカーボンナノチューブである。また、矢印で示した箇所は、カーボンナノチューブの切断箇所を示す。
この図から、カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの軸にほぼ垂直に切断され、且つ、カーボンナノチューブの構造変化がほとんど無いことがわかる。
このことから、本発明の方法によれば、例えば、カーボンナノチューブをその構造に基づく特性を損なうことなしに所望の長さに切断できることがわかる。
FIG. 3 is a view showing a high-magnification scanning electron microscope image of marimocarbon after cutting shown in FIG. In the figure, the winding image is carbon nanotubes grown radially from marimocarbon oxide diamond. Moreover, the location shown by the arrow shows the cut location of the carbon nanotube.
From this figure, it can be seen that the carbon nanotubes are cut almost perpendicularly to the axis of the carbon nanotubes, and there is almost no structural change of the carbon nanotubes.
From this, it can be seen that, according to the method of the present invention, for example, carbon nanotubes can be cut to a desired length without impairing the characteristics based on the structure.
上記説明から理解されるように、本発明のカーボン繊維の切断・加工方法によれば、カーボン繊維の所望の位置を切断でき、且つ、カーボン繊維の構造に基づく特性を損なうことなく切断し得るので、例えば、マリモカーボンのカーボンナノチューブを切断して、マリモカーボンのグラファイト・エッジを飛躍的に増加させることにより、マリモカーボンを分極性電極とした電気二重層キャパシタの蓄電容量を飛躍的に向上させることができる。
また、カーボンナノチューブの所望の位置の切断に本発明の方法を用いれば、カーボンナノチューブを所望の長さに切断できるので、カーボンナノチューブをｎｍオーダーの電子回路の配線材料や、能動素子材料として使用できるようになる。
また、本発明の方法を用いれば、カーボンナノチューブの軸に垂直な切断面を形成することができるので、カーボンナノチューブを高性能な電子銃や原子間力顕微鏡の探針として用いることができる。
As understood from the above description, according to the carbon fiber cutting and processing method of the present invention, a desired position of the carbon fiber can be cut and can be cut without impairing the characteristics based on the structure of the carbon fiber. For example, by cutting the carbon nanotubes of marimocarbon and dramatically increasing the graphite edges of marimocarbon, the storage capacity of electric double layer capacitors using marimocarbon as a polarizable electrode can be dramatically improved. Can do.
In addition, if the method of the present invention is used for cutting a desired position of the carbon nanotube, the carbon nanotube can be cut to a desired length, so that the carbon nanotube can be used as a wiring material for an electronic circuit on the order of nm or an active element material. It becomes like this.
Further, if the method of the present invention is used, a cut surface perpendicular to the axis of the carbon nanotube can be formed, so that the carbon nanotube can be used as a high-performance electron gun or a probe for an atomic force microscope.
１ カーボン繊維の切断・加工装置
２ 真空槽
３ カーボン繊維
４ 載置台
５ 電子ビーム
６ 電子銃
７ 走査部
８ 排気部
９ ガス導入部
１０ 検出器
１１ 画像構成部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon fiber cutting and processing apparatus 2 Vacuum chamber 3 Carbon fiber 4 Mounting stand 5 Electron beam 6 Electron gun 7 Scan part 8 Exhaust part 9 Gas introduction part 10 Detector 11 Image structure part
Claims (5)
上記酸化性雰囲気の所定の圧力を、上記電子ビームが照射されている部位のカーボン繊維と上記酸化性ガスとが酸化反応を生ずる圧力とし、
上記所定の条件の電子ビームを、カーボン繊維へ衝突する際の上記電子ビームのエネルギーが該カーボン繊維に損傷を与えない条件の電子ビームとしたことを特徴とする、カーボン繊維の切断・加工方法。 Cutting a carbon fiber by irradiating the carbon fiber with an electron beam under a predetermined condition in an oxidizing gas atmosphere at a predetermined pressure and cutting or processing the carbon fiber by an oxidation reaction between the carbon fiber and the oxidizing gas.・ Processing method,
The predetermined pressure of the oxidizing atmosphere is a pressure at which the carbon fiber at the site irradiated with the electron beam and the oxidizing gas cause an oxidation reaction,
A method for cutting and processing a carbon fiber, wherein the electron beam under a predetermined condition is an electron beam under a condition that energy of the electron beam when colliding with the carbon fiber does not damage the carbon fiber.
The predetermined pressure of the oxidizing gas is 26 to 2600 Pa, and the predetermined condition of the electron beam is that the distance between the emission end of the electron beam and the carbon fiber is 30 to 50 cm and the beam diameter is 10 to 30 nm. The carbon fiber cutting and processing method according to claim 1, wherein the acceleration voltage of the electron gun is 3 to 30 kV and the irradiation current amount is 10 to 100 nA.
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