Title
Study on the preparation, growth mechanism and chemical
treament of the carbon microcoils( 内容の要旨(Summary) )
Author(s)
陳, 秀琴
Report No.(Doctoral
Degree)
博士(工学) 乙第034号
Issue Date
2002-03-25
Type
博士論文
Version
URL
http://hdl.handle.net/20.500.12099/1706
※この資料の著作権は、各資料の著者・学協会・出版社等に帰属します。氏名(本籍) 学 位 の 種 類 学位記号番号 学位授与年月日 専 攻 学位論文題 目 陳 秀 琴 (中華人民共和国) 博 士(工学) 乙 第 34 号 平成14年 3月25日 物質工学専攻
Study on the preparation,grOYth 皿eChanisD and、chemical
treaJBent Of the c&rbon microcoil$
(カーボンウイクロコイルの合成、成長機構および化学処理に関する研究) 学位論文審査委員 (主査) 教 授 元 鳥 栖 二 (副査) 教 授 橋 場 稔 教 授 三 輪 賓
論文内容の要旨
カーボンマイクロコイルの大量合成法、モルフォロジー、成長過程、成長機構、化学処 理法などについて検討し、以下の新しい知見を得ている。①カーボンマイクロコイルの大 量合成のための新反応装置を考案し、アセチレン原料からカーボンコイルを大量合成する ための基本的合成条件を確立した。本装置により従来法の60倍のコイル合成が可能であ ることを示した。②カーボンコイルの成長過程、モルフォロジー等を詳細に観察し、新し い3次元成長機構を提案した。③高温熱処理によりグラファイトコイルが得られることを 示した。④カーボンコイルの化学処理法により、カーボンコイル表面への熱分解炭素膜コ ーテングおよび気相拡散処理法を用いた金属炭化物(NbC)及び窒化物(TiN)コイル/ チューブの合成およびその特性評価を行った。 本論文は5牽から構成されている.第l章では伝統的な炭素材料の他、フラーレン、ナノチ ューブ、カーボンマイクロコイルなどの先進炭素材料、及びこれらを合成する上で最も重要な合 成プロセスであるCVD(化学気相析出)法についてレビューした。第2章ではカーボンマイクロ コイルの大量合成のための反応装置(多孔原料ガス導入型反応管)の開発・これを用いた合成条件の確立、アセチレン以外の炭素源の検討、及び得られたカーボンコイルの物性評価を行った。第
3章ではカーボンマイクロコイルの成長過程、モルフォロジーを詳細に観察し、新しい3次元 成長機構を提案した。これにもとずき超弾力性コイルの開発を行った。さらに高温熱処理によ りグラファイトコイルが得られることを示した。第4章では、カーボンコイル表面への熱分解 炭素膜コーテングおよび気相拡散処理法を用いた金属炭化物(NbC)及び窒化物(T糾)コイル /チューブの合成およびその特性評価を行った。第5章で全体を要約した。 第1草 序論 フラーレン、カーボンナノチューブ、触媒活性化成長炭素織純などの先進炭素材料について、 レビューした。またこれらの薪炭素材料の最も重要な合成プロセスである化学気相析出(CVD)-123-法についてレビューした。カーボンマイクロコイルの合成プロセス、特性、応用の可能性につ いて概祝した。カーボンマイクロコイルの最も有効な大量合成法の開発には、その成長パター ンと成長機能の解明が重要であると結論づけた。 第2章 カーボンマイクロコイルの大量合成、薪炭素源及び特性評価 カーボンマイクロコイルを大量合成するため、新反応装置として多孔原料ガス導入型反応装 置を考案し、この装置を用いてアセチレン原料からカーボンコイルを大量合成するための基本 的合成条件(反応温度、ガス流量・ガス比、触媒量など)を確立した。本装置により従来法の60倍 のコイル合成が可能であることを示した。アセチレン以外の安価な炭素源としてプロパンの使
用を検討した結果、プロパンを1000-1100℃で予備加熱すると、アセチレンが発生しこれを原料
として少量のカーボンコイルが得られる事を見出した。大量合成装置で得られたカーボンコイ ルの基本特性評価を行った。Ås甘OWnカーボンコイルはほとんど非晶質で、密度は1.$1-1,88 gkm3,比表面積は100-140m2/g、比抵抗は10-0.1E2cmであった。カーボンコイルは非常に弾力 性がありファイバーの断面形状、コイル径などに依存して元のコイル長さのl.5-10倍伸びるこ とを示した。J又GHz領域の電磁波を99%,MHz領域では90%の電磁波を吸収することを示し た。 第3章 カーボンコイルの成長パターン、モルフォロジー、成長機構、及び熱処理 カーボンコイルの成長初期、成長パターン及びモルフォロジーを詳細に観察し、その3次元的 成長機構を明らかにした。即ち、カーボンコイルは基本的に単結晶触媒粒の各結晶面から、最 初6本のカーボンファイバーが成長し、これらが癒着して最終的に2本となる。これが互いに 巻き合いながら成長して二重コイルを形成する事を見出した。これらの結果から、コイルは触媒 結晶表面における触媒活性の異方性が駆動力となってコイル状に成長するとする3Dr成長機 構を提案した。この成長機構に基づき、コイル径及びコイルピッチは触媒結晶の各結晶面の触 媒活性の異方性をコントロールすることにより制御できること明らかにした。その例として、 触媒活性異方性を反応条件の制御により実現し、コイル径及びピッチの大きなコイルを合成し た。このコイルは元のコイル長さの10倍近くまで伸びる超弾力性を示すことを見出した。 第4章 カーボンコイルの化学処理 カーボンコイル表面にプロパンの熱分解により炭素膜をコーテングし、コーテング条件を検 討すると共にその特性を明らかにした.炭素膜コーテングカーボンコイルは250-950MHzの電 磁波を95-99%吸収することを明らかにした。カーボンコイルは高温拡散処理(メタライジング、 ナイトライジング)すると、コイル形態を完全に保持したまた対応する金属炭化物(NbC)コイ ル/パイプに変性できることを示し、その特性評価を行った.又、メタライジングを窒素雰囲気 下で行うと対応する金属窒化物(T糾)コイル/パイプになることを見出した。さらに金属炭化 物(TiC)コイル/パイプを窒素雰囲気下で処理することにより、コイル/パイプ形態を保持し たまま容易に窒化物(TiN)に変性できることを示した。カーボンコイルはメタライジングおよ びナイトライジングすることにより、比抵抗は0.ト0.01日cm,比表面積は10-30m2/gに減少し-124-た。TiNマイクロチューブの引張り強度は120-340MPa,800-900MHzの電磁波吸収率は90%で あった。 第5章 総括 本章では、カーボンコイルの大量合成、薪炭素源、成長機能、化学処理、特性評価などの結 果を総括したム