JPH1143827A - 中空状マイクロファイバー及びその製造法 - Google Patents
中空状マイクロファイバー及びその製造法Info
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Abstract
ーボンマイクロコイル、及び、これらを金属化処理等を
してなる中空状セラミックマイクロコイル又は中空状セ
ラミックマイクロファイバーを提供する。 【解決手段】本発明は、アセチレンの触媒活性化熱分解
によりマイクロコイル状炭素を合成する際、反応条件を
厳密に制御し、ファイバーの成長につれて基板を下げて
ゆくことを特徴とする、コイルが極めて密に規則正しく
巻いた中空状カーボンマイクロコイルに関する。また、
本発明は、これらを原料として、種々の金属成分、ケイ
素、ホウ素、炭素、窒素及び/又は酸素原子などを含む
ガス中、800〜1700℃で高温反応/拡散処理を行
うと、原料ガス成分が炭素と反応あるいは置換し、一方
繊維軸中の空洞は完全に保持された中空状のセラミック
ス系マイクロコイル又はマイクロファイバーに関する。
Description
磁波吸収材、電極材料、触媒、触媒担体、吸着剤、マイ
クロメカニカル素子、マイクロスイッチング素子、マイ
クロセンサー、マイクロフィルターなどの材料として適
用しうる中空状マイクロコイル又は中空状マイクロファ
イバーの製造法に関する。
物の繊維やウイスカー(猫の髭状の細長い単結晶)は、金
属触媒活性化CVD法により製造されているが、その形
態はすべて繊維の芯まで完全に詰まった直線状繊維であ
る。繊維軸に空洞のあるマイクロパイプ状の繊維は全く
報告されていない。気相からのファイバーやウイスカー
は、一般にVLS(気−液−固)機構により成長するが、
この機構では理論的にパイプ状に成長することは不可能
である。マイクロコイル状の繊維の製造法として、本発
明者らは、先に金属触媒および微量のイオウあるいはリ
ン系不純物の存在下で、アセチレンを熱分解することに
より、マイクロコイル状の炭素繊維を製造する方法を提
案した(特開平4−222228号参照)。またこのコイ
ル状炭素繊維を高温で気相メタライジング/窒化同時処
理することにより種々のマイクロコイル状金属窒化物繊
維を製造する方法を提案した(申請中)。
金属触媒および微量のイオウあるいはリン系不純物の存
在下で、炭化水素ガスを熱分解することにより、再現性
良く高収率で製造することができる。そのコイル形態
は、一般に不規則であり、また規則的に巻いたコイルも
コイル間は密着しておらず隙間がある。そこで、コイル
状カーボンファイバーの合成条件およびその後処理を詳
細に検討した結果、合成条件を高度に制御すると、炭素
繊維が非常に規則的に巻いてコイル間が完全に詰まり、
コイル軸が空洞の中空状マイクロカーボンファイバーが
得られることを見出し、さらにこれを原料とした種々の
中空状セラミックマイクロファイバーの製造方法につい
て検討した結果、本発明を完成させたものである。原料
として、中空状の金属炭化物マイクロファイバー、金属
窒化物マイクロファイバーあるいは金属炭窒化物ファイ
バーを用いることも出来る。本発明の目的は、種々の金
属・金属間化合物およびセラミックス系化合物の中空状
マイクロファイバーの新しい製造法を提供することであ
る。
した中空状カーボンマイクロコイル、およびこれを金
属、ケイ素、ホウ素、炭素、窒素あるいは酸素原子含有
ガスを含む混合ガス中で、高温で気相メタライジング、
ケイ化、ホウ化、炭化、窒化及び/又は酸化処理してな
ることを特徴とする中空状セラミックマイクロコイル又
は中空状セラミックマイクロファイバー及びその製造法
に関する。さらに、本発明は、中空状カーボンマイクロ
コイルが金属化されてなる中空状の金属炭化物マイクロ
コイルあるいは金属窒化物マイクロコイルを、さらに、
金属、ケイ素、ホウ素、炭素、窒素あるいは酸素原子含
有ガスを含む混合ガス中で、高温で気相メタライジン
グ、ケイ化、ホウ化、炭化、窒化及び/又は酸化処理し
てなることを特徴とする中空状セラミックマイクロコイ
ル又は中空状セラミックスマイクロファイバー及びその
製造法に関する。より詳細には、本発明は、マイクロコ
イル状カーボンを合成する際、合成条件を高度に制御す
ることによりコイル間が完全に密着した中空状カーボン
マイクロコイルを提供すること、およびこの中空状カー
ボンマイクロコイルを原料とし、種々の金属、ケイ素、
ホウ素、炭素、窒素及び/又は酸化原子含有ガスを含む
混合ガス中、高温で気相拡散・反応処理することによ
る、炭素原子の一部あるいは全部がこれらの成分と物理
的又は化学的に処理され、金属間化合物、金属ケイ化
物、金属ホウ化物、金属炭化物、金属窒化物、金属酸化
物、あるいはこれらの複合化物となった中空状セラミッ
クマイクロコイルを提供するものである。さらに、本発
明は前記の高温での気相拡散・反応処理により、マイク
ロコイルの隣接するコイル形成部分の一部又は全部が融
合してマイクロコイルの一部又は全部がファイバー状に
なった中空状セラミックマイクロファイバーを提供する
ものである。また、本発明は、公知のコイル間が密着し
ていない中空状カーボンマイクロコイル又は中空状カー
ボンファイバー若しくは中空状カーボンマイクロファイ
バーを原料として、これを金属、ケイ素、ホウ素、炭
素、窒素あるいは酵素原子含有ガスを含む混合ガス中
で、高温、気相処理を一段階、又は二段階以上行うこと
により、炭素原子の一部又は全部がこれらの成分と物理
的又は化学的に処理され、金属間化合物、金属ケイ化
物、金属炭化物、金属窒化物、金属酸化物、あるいはこ
れらの複合化物となった中空状セラミックマイクロコイ
ル又は中空状セラミックマイクロファイバー、及びそれ
らの製造法を提供するものである。
ち、金属成分としては、高温で高い蒸気圧を持つ金属単
体、ハロゲン化物、水素化物、有機金属化合物など、ほ
とんどあらゆる遷移金属、典型金属、半金属の単体およ
び化合物が使用できる。炭素源としては、主として炭素
繊維の炭素そのものを使用するが、外部からメタン、エ
タンなどの炭化水素ガスや四塩化炭素などの炭素原子含
有ガスを用いることもできる。窒素源としては、窒素、
アンモニア、ヒドラジンなどのように窒素原子を多量に
含む分子あるいは化合物が使用できる。ホウ素として
は、三塩化ホウ素、ジボラン、ボラジンなどのホウ素原
子を含む化合物ガスが使用できる。また、ケイ素として
はシラン、ジシラン、四塩化ケイ素、六塩化二ケイ素な
どのケイ素含有ガスが使用できる。また、反応系に水素
を存在させることは特に必要ではないが、水素が存在す
ることが望ましい。反応系に、He、Arなどの不活性
ガスが存在してもよい。反応においては、触媒などは特
に必要としないが、必要に応じて触媒を存在させること
もできる。
又は中空状セラミックマイクロファイバーを製造する際
に、使用し得る原料として、気相合成された中空状カー
ボンマイクロファイバー又は中空状カーボンマイクロコ
イル、これを熱処理して得た中空状のグラファイトファ
イバー、金属炭化物ファイバー、金属窒化物ファイバ
ー、ポリアクリロニトリルやピッチなどの有機プリカー
サーを規則的に緻密に巻いて中空状ファイバーに成型・
加工・熱処理して得たものも使用できる。
又は中空状セラミックマイクロファイバーを製造する際
の反応温度としては、700〜1800℃、好ましくは
900〜1200℃である。メタライジング用の金属成
分含有ガスの流量は1〜50cc/分、好ましくは5〜
10cc/分である。また、窒化用の窒素あるいはアン
モニアガス流量は、10〜500cc/分、好ましくは
50〜200cc/分である。ケイ化用のケイ素含有ガ
スの流量は1〜50cc/s、好ましくは5〜20cc
/sである。ホウ化用のホウ素含有ガスの流量は、1〜
50cc/s、好ましくは5〜20cc/sである。水
素ガスの存在下に行う場合の水素ガス流量は、250〜
650cc/分、好ましくは350−450cc/分で
ある。アンモニアを用いた場合には、水素ガスの導入は
省略することが出来る。原料ガス中にアルゴン、ヘリウ
ムなどの不活性ガスを加えることも出来る。
は中空状マイクロファイバーのファイバー直径は、0.
5〜15μm、中空径は0.01〜5μm、パイプ長さ
は0.01mm〜300mmの範囲であるが、これらに
限定されるものではない。反応温度、反応時間あるいは
原料ガス組成などを変化させることにより、炭素原子が
一部残った中空状セラミックマイクロコイル又は中空状
セラミックマイクロファイバーを得ることもできる。
又は中空状セラミックマイクロファイバーの各元素の存
在状態は必ずしも明確ではないが、多元合金からなるコ
イル又はファイバーにおいては、それぞれの合金成分が
完全に固溶・均一相となったもの、一部の成分あるいは
合金成分が偏折したもの、あるいはすべての成分あるい
は合金成分が完全に独立分散したものなど、様々な構造
になっていると考えられる。他の化合物の場合にも同様
である。
マイクロファイバーは、既存の直線状の炭素繊維、炭化
物、窒化物、ホウ化物繊維などが用いられている種々の
用途に応用できる。特に、そのマイクロパイプ状という
特異的形態からもたらされる種々の特性を利用して、F
RPやFRMなどの三次元強化用繊維、電磁波吸収材、
電極材料、マイクロメカニカル素子、マイクロスイッチ
ング素子、マイクロセンサー、マイクロフィルター、高
温耐蝕性パッキング、吸着剤、触媒材料、触媒担体な
ど、種々の機能性材料として有用である。
発明はかかる実施例に限定されるものではない。
らなる熱CVD装置の中央部に、ニッケル粉末(平均粒
径5μm)を塗布したグラファイト基板をセットし、7
50℃で反応を行った。反応ガスとして、チオフェン不
純物を1.51mol%含むアセチレンを80 cc/
分、水素を400cc/分および窒素を200cc/分
で上部より流し、常圧下で反応を行った。原料ガス導入
口と成長したマイクロコイルの先端部分との距離は、1
〜10mm、好ましくは2〜3mmとなるようにコイル
の成長と共に基板の位置を下げた。成長したコイルは、
ほとんどが二本のコイルが互いに巻き合いながら成長
し、非常に規則正しく緻密に巻きコイル間の隙間の全く
無い二重コイルであり、コイルの外径は0.1〜15μ
m、コイルピッチはゼロ、コイル長さは反応時間に依存
して0.01〜200mmであり、繊維軸が空洞となっ
た中空状カーボンマイクロコイルが得られた。
μm)を用いた以外は、実施例1と同じ条件で反応を行
った。非常に緻密に巻きコイル間の隙間の全く無い二重
コイルが得られ、コイルの長さは反応時間に依存し0.
01〜200mmであった。
製反応管からなる回転式熱CVD装置の中央部に、実施
例1で得られた中空状カーボンマイクロコイル100m
gを入れた石英製ボートをセットし、アルゴンガス中、
1200℃中まで加熱した後、四塩化チタンガスを10
cc/分および水素を100cc/分で流し、2時間反
応を行った。反応管の回転速度は、1〜300回転/
分、好ましくは10〜60回転/分である。反応後試料
の重量は500mgに増加した。カーボンマイクロコイ
ルは気相チタナイジングすることにより、その外側から
芯部分に向かって同心円状に次第にTiC化され、コイ
ル間は完全に癒着されたが、繊維軸に沿った空洞形態は
完全に保持されていた。その芯部分まで完全にチタナイ
ジングされてTiC1.0 に変化した場合、その重量は約
5倍に増加する。したがって、本実施例では、繊維の芯
まで100%TiC化された中空状TiCマイクロファ
イバーが得られたことになる。
管からなる回転式熱CVD装置の中央部に、実施例1で
得られた中空状カーボンマイクロコイル100mgを入
れた石英製ボートをセットし、アルゴンガス中、120
0℃中まで加熱した後、四塩化チタンガスを10 c c/
分、窒素ガスを100cc/分で流して1時間反応を行
った。反応後の試料は原料カーボンマイクロコイルの黒
灰色から暗い黄褐色に変化し、重量は310mgに増加
し、そのX線回折図には原料のカーボンマイクロコイル
の非晶質相を示す幅広いピークと共に、窒化チタン(T
iN)相の存在を示す鋭いピークが観察された。しか
し、炭化チタン(TiC)相の存在を示すピークは全く
観察されなかった。すなわち、本実施例においては、カ
ーボンマイクロコイルの気相チタナイジングと窒化が同
時に進行して、TiN化されたことを示している。カー
ボンマイクロコイルが完全TiN1.0 に変化した場
合、重量は約5.2倍となる。したがって、本実施例の
場合、重量増加から計算したTiN化率は、約50mo
l%である。また、反応後の試料表面および鏡面研磨断
面を、それぞれ図−1および図−2に示す。試料表面に
は微粒多結晶性のTiN粒子が析出しており、コイルの
溝はほとんど埋まり完全に癒着している。またその断面
観察から、コイル表面および内側には連続した白く輝く
膜部分が観察され、その部分にはチタンおよび窒素の存
在が認められた。一方、暗い中心部分には炭素の存在の
みが認められた。外側のドーナツ状のTiN部分と中心
の炭素部分との面積比は約50%であった。すなわち、
繊維の表面からその断面積の50%がTiN化され、芯
の部分は炭素質のままであった。窒素ガスの代わりにア
ンモニアガスあるいはヒドラジンガスを用いてもほとん
ど同じ結果が得られた。
反応を行った。反応後の試料は、褐色がかった黄金色に
変化した。その断面観察およびX線回折から、未反応の
中空状カーボンマイクロコイルの炭素の存在は全く観察
されず、原料のカーボンマイクロコイルは完全にTiN
膜化された。一方、原料の中空状形態は完全に保持され
てマイクロパイプ状になった。すなわち、中空状カーボ
ンマイクロコイルは、完全にTiN化されてもその中空
状形態は完全に保持され、中空状TiNマイクロファイ
バーが得られた。
応時間を3時間とした以外、実施例4と同じ条件で反応
を行った。反応後の試料は多少灰色がかった金色に変化
し、重量は8.8倍に増加し、X線回折図からは原料の
炭素繊維の非晶質相あるいはZrC相を示すピークは全
く観察されず、ZrN相の存在を示す鋭いピークのみが
観察された。したがって、本実施例では、原料の炭素繊
維は100%ZrNに変化したことが分かる。中空状カ
ーボンマイクロコイルは、完全にZrN化されてもその
中空状形態は完全に保持され、中空状ZrNマイクロフ
ァイバーが得られた。
応時間を5時間とした以外、実施例4と同じ条件で反応
を行った。反応後の試料のX線回折図からは原料の炭素
繊維の非晶質相あるいはNbC相を示すピークは全く観
察されず、NbN相の存在を示す鋭いピークのみが観察
された。
製反応管からなる回転式熱CVD装置の中央部に、実施
例3で得られた中空状TiCマイクロファイバー100
mgを入れた石英製ボートをセットし、アルゴンガス中
1200℃中まで加熱した後、アンモニアガスを100
cc/分で流して2時間反応を行った。反応間の回転速
度は、1〜300回転/分、好ましくは10〜60回転
/分である。反応後、試料は金褐色に変化したが重量増
加はほとんど観察されなかった。理論的にも炭化チタン
から窒化チタンに変化しても重量増加はほとんどない。
しかし、X線回折図には窒化チタン相のピークのみが観
察され、炭化チタン相のピークは全く観察されなかっ
た。また、窒化処理しても、中空状TiCマイクロファ
イバーの中空状形態はほとんど変化しなかった。鏡面研
磨断面には、連続した厚いTiN膜の存在のみが観察さ
れ、その中心部には炭素の存在は全く確認されなかっ
た。
は、実施例4と同じ条件で反応を行った。反応後の試料
の色の暗青色に変化し、重量は310mgに増加した。
X線回折図には、窒化チタンの他、炭窒化チタンのピー
クも認められた。
は、実施例4と同じ条件で反応を行った。反応後の試料
の色の変化はなく、重量は310gに増加した。X線回
折図には、窒化チタンの他炭酸窒化チタンのピークが認
められた。
ホウ素を30cc/分、水素を500cc/分、アルゴ
ンを100cc/分、用いた以外は、実施例3と同じ条
件で反応を行った。反応後の試料には、X線回折図から
原料の中空状マイクロカーボンファイバーの非晶性炭素
のピークの他、二ホウ化チタン(TiB2)のピークが観
察された。鏡面研磨断面には、原料の中空状カーボンマ
イクロコイルの中空状形態は完全に保持されており、カ
ーボンマイクロコイルの一部が未反応のまま残った中空
状二ホウ化チタンマイクロファイバーが得られた。
件で反応を行った。反応後の試料のX線回折図には、二
ホウ化チタンのピークのみが観察され、未反応の炭素の
存在は全く観察されなかった。鏡面研磨断面には、連続
した二ホウ化チタン膜のみが観察され、原料の中空状カ
ーボンマイクロコイルの中空状形態は完全に保持されて
いた。すなわち、原料の中空状カーボンマイクロコイル
は、完全に二ホウ化チタンに変化し、中空状二ホウ化チ
タンマイクロファイバーが得られた。
反応管からなる回転式熱CVD装置の中央部に、実施例
1で得られた中空状カーボンマイクロコイルを入れ、ア
ルゴンガス中、1200℃中まで加熱した後、原料ガス
として、三塩化鉄を30cc/分、水素を300cc/
分、アルゴンを100cc/分、流して、3時間反応を
行った。反応管の回転速度は、1〜300回転/分、好
ましくは10〜60回転/分である。反応後の試料に
は、X線回折から未反応の炭素の他、鉄および炭化鉄
(Fe3C)の存在が確認された。反応生成物の表面に
は、微小な結晶粒の成長が観察され、コイル間は完全に
埋まっていた。研磨断面には未反応の炭素層と鉄および
炭化鉄層の二層が観察され、また原料の中空状カーボン
マイクロコイルの中空状形態は、反応後も完全に保持さ
れていた。
ケルカルボニルを15cc/分、用いた以外は実施例1
3と同じ条件で反応を行った。反応後の試料には未反応
の炭素、鉄、炭化鉄、およびFe−Ni合金(Ni:7
0 at%)の存在が確認された。原料の中空状カーボ
ンマイクロコイルの中空状形態は、反応後も完全に保持
されていた。
件で反応を行った。反応生成物中には未反応の炭素は観
察されず、また鏡面研磨断面には、Fe−Ni合金単一
層のみが観察された。
っ張り強度を測定したところ、100〜350kg/m
m2(平均250kg/mm2)の高い値を示した。
ーの引っ張り強度を測定したところ、50〜100kg
/mm2(平均70kg/mm2)であった。
気抵抗値を測定しところ、3×10-3Ωcmの金属的性
質を示した。実施例3で得られた中空状炭化チタンマイ
クロファイバーの電気抵抗値は、1×10-4Ωcmで完
全に金属的性質を示した。その他の金属炭化物、窒素化
物、あるいは金属間化合物の場合も同様な金属的性質を
示した。
性化熱分解によりマイクロコイル状炭素を合成する際、
反応条件を厳密に制御することにより、コイルが極めて
密に規則正しく巻いた中空状でマイクロパイプ状のカー
ボンコイルが得られる。さらにこれを種々の金属成分、
ケイ素、ホウ素、炭素、窒素あるいは酸素原子などを含
む原料ガス中、800〜1800℃で反応を行うことに
より、その表面の一部あるいは芯まで完全に反応したマ
イクロパイプ状のセラミック繊維を定量的に得ることが
できる。この際触媒は特に必要としない。
状窒化チタンマイクロファイバーの表面の顕微鏡写真で
ある。
状窒化チタンマイクロファイバーの鏡面研磨断面の顕微
鏡写真である。
Claims (9)
- 【請求項1】 コイルのピッチが実質的に0である、中
空状カーボンマイクロコイル。 - 【請求項2】 中空状カーボンマイクロコイルの一部又
は全部が金属窒化物、金属炭化物又は金属炭窒化物であ
る中空状セラミックマイクロコイル。 - 【請求項3】 気相メタライジング、ケイ化、ホウ化又
は酸化処理された請求項2に記載の中空状セラミックマ
イクロコイル。 - 【請求項4】 請求項2又は3に記載の中空状セラミッ
クマイクロコイルの隣接するコイル形成部分の一部又は
全部が融合された中空状セラミックマイクロファイバ
ー。 - 【請求項5】 触媒活性化CVD法によりマイクロコイ
ル状カーボンを気相合成する方法において、カーボンマ
イクロコイルが非常に緻密かつ規則的に巻かれてコイル
間が密着し、マイクロコイル状カーボンの軸が中空状コ
イルになるように、マイクロコイルの成長につれて基板
を下げていくことを特徴とする、中空状カーボンマイク
ロコイルの製造法。 - 【請求項6】 中空状カーボンマイクロコイル又は中空
状カーボンファイバーを金属原子を含んだガス中、70
0−1800℃の高温で気相メタライジング・炭化処理
することを特徴とする一部又は全部が金属化された中空
状セラミックマイクロコイルの製造法。 - 【請求項7】 ガスが窒素原子を含んだガスである請求
項6に記載の中空状のセラミックマイクロコイルの製造
法。 - 【請求項8】 金属、ケイ素、ホウ素、炭素及び/又は
酸素原子含有ガスを含むガス中で、高温で気相メタライ
ジング、ケイ化、ホウ化、炭化及び/又は酸化処理され
た請求項6又は7に記載の中空状セラミックマイクロコ
イルの製造法。 - 【請求項9】 請求項6〜8のいずれか一項に記載の製
造法による、マイクロコイルの隣接するコイル形成部分
の一部又は全部が融合された中空状セラミックマイクロ
ファイバーの製造法。
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