Microsoft PowerPoint 固体熱物性クラブ

工業用カーボン材料の高温物性の計測

Measurement of Physical Properties of

Classical

Carbon Materials under a High Temperature

産業技術総合研究所

計測フロンティア研究部門

岩下 哲雄 (Norio Iwashita)

1000℃を超える高温で 機械的強度が

常温の値より高い

と いう事実 ご存知ですか？

●工業的に使用されているカーボン材料は

Fig.1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

0

500

1000

1500

2000

2500

RT

1000

C

1600

C

2000

C

2200

C

Load /

N

Crosshead deflection / mm

IGS743：【引張試験・荷重-変位曲線】

RT～2200℃

平成25年度 固体熱物性クラブ 2014.02.07

Fig.1

0

1

2

3

4

5

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

RT

2200

C

2400

C

2500

C

2600

C

Load / N

Crosshead deflection / mm

IGS743：【引張試験・荷重-変位曲線】

_RT～2600℃

最高温度より比較的低温の部分が壊れる

●スポット加熱試験のように

試験片に温度勾配が存在すると

高温で機械的強度が高くなると・・

どのようにして

高温での材料試験を行うのか？

平成25年度 固体熱物性クラブ 2014.02.07

高温引張試験

試験片形状

超高温炉が付属したインストロン型

万能材料試験機

1988年（S63）

官民連帯共同研究

（大阪工業技術試験所）

細部の直径：6mm

ゲージ長さ：15mm

①電気炉内を真空脱気して、アルゴンガス置換する。

②昇温中 膨張による試験片や治具へのダメージを防ぐために、

98Nの引張荷重を負荷しながら 温度上昇させる。

③目的の温度で15分以上保持してから、引張試験の開始

⇒ クロスヘッドスピード： 0.5mm／分

変位は、クロスヘッドの移動量を計測し、

室温での試験片細部の直径から断面積を計算し、

引張強度を得た。

室温の試験

でさえも

試験方法

計測試験方法にも

ノウハウ・経験則がある

平成25年度 固体熱物性クラブ 2014.02.07

3000℃付近の熱処理プロセス（黒鉛化）によって

黒鉛結晶化・体積収縮が生じて，

その後 常温まで冷却されるため

試料内部にはマイクロクラックが存在する。

そのマイクロクラックが 再加熱の熱膨張によって

閉じるために 高温では

機械的強度や弾性率が高くなるという説が一般的

なぜ 高温で強度・弾性率が高くなるのか？

 S. Mrozowski, Proceedings of First and Second Conference of Carbon

(1956) p.195, The Waverly Press, New York

 J.F. Andrew and S. Sato, Carbon, 1 (1964) 225

8

石炭

石油

ピッチ

残渣物

COG

高炉

コークス化

コークス化

アセチレンブラック(CB)

炭素繊維

ピッチコークス

ニードルコークス

素材調製・捏合

成型

焼 成

1000℃

カーボン製品

スクラップ

鉄

鉄鋼

電炉

シリコン

（太陽電池）

工業用カーボン材料の

_{product life cycle management}

☆高温熱処理

（黒鉛化）

3000℃

銑鉄

転炉

リサイクル

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工業用カーボン材料とは

半導体製造

アーク製鋼（電炉）

アルミニウム製錬

太陽電池用シリコン製造

工業用カーボン材料は、半導体製

造、電炉製鋼、アルミニウム精錬など

高温でかつ導電性を必要とする製造

業に必要不可欠な材料である。

ただし、目的製品を製造するにあ

たって、（酸化）消耗していくだけのス

ポットライトの当たらない材料で、ま

さに 黒衣（黒子） のような存在である。

工業用カーボン材料メーカー：

・東海カーボン

・ 日本カーボン

・昭和電工

・新日本テクノカーボン

・イビデン

・SECカーボン

・東洋炭素

（2006年度：1400億円の売り上げ） 炭素協会調べ

・ SGL

Carbon （独）

・ Graftec

UCAR （米）

（旧UCC）

・ Le Carbon （仏）

工業用カーボン材料（

Classical carbon,ギガカーボン）

第一世代

木炭，鉄鋼用コークス

カーボンブラック

５０００万トン／年

第二世代

グラファイト材料

人造黒鉛電極

５０万トン／年

第三世代

炭素繊維

３万トン／年

第四世代

ナノカーボン

数トン／年

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正解は

① 半導体的：温度上昇とともに小さくなる

② 金属的：温度上昇とともに大きくなる

カーボン材料の電気抵抗の温度依存性は？

高温電極や発熱体としての応用を考えると

0

500

1000

1500

2000

2500

0

10

20

30

40

POLE

IGS743

GL22

Resi

st

ivi

ty /



m

Measurement temperature /

o

C

カーボン材料の

電気抵抗の温度依存性は

原料素材、製法 によって異なる

【電気抵抗 高温温度依存性】

電導キャリアの増加

ホッピング電導

熱振動（格子振動）による

電導キャリアの散乱

どうやって測るの？

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Sample

(10x10x120 mm)

Current

probes

Voltage

probes

電流：±

100 mA

昇温・冷却速度：

20℃/分

測定：

60秒毎

電気炉内部

人造グラファイト材料

↓

骨材（ピッチコークス）と バインダー（ピッチ）

複合材料

Code

A

B

C

D

E

coke

fine

fine

ultra fine

fine

mixture

addative

×

×

×

○

×

Table 1. Samples

Code

A

B

C

D

E

d

[nm] 0.3368

0.3369

0.3376

0.3362

0.3360

L c[nm]

45

38

27

62

73

L a[nm]

54

51

31

54

60

P

_0.50

_0.50

_0.35

_0.45

_0.54

Table 2. X-ray structural parameters by JIS R7651

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0

500

1000

1500

2000

2500

4

5

6

7

8

9

10

Resistance / m



Temperature /

o

C

A

B

C

D

E

【電気抵抗 温度依存性】

0

500

1000

1500

2000

2500

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

N

o

rm

alized value (

R

T

/R

RT

)

Temperature /

o

C

A

B

C

D

E

平成25年度 固体熱物性クラブ

2014.02.07

Sample: (10

φ

_×

ｔ

2 mm)

Laser flash method

Temperature change

is detected by

silicon photocell

Oscillation time：0.5 ms

熱拡散率測定炉内

Calculated from a half time

Ruby laser

(694.3 nm)

Mold direction

0

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800

10

12

14

16

18

20

60

80

100

Thermal dif

fusivity / x10

-6

m

2

/s

Test temperature /

o

C

A

B

C

D

E

【熱拡散率 温度依存性】

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2013年11月25日 産業技術総合研究所 プレス発表

装置外観図

レーザーマイクロゲージ： 東京光電子工業製 LMG D5-1505Ⅱ-HS

計測フロンティア研究部門

正面から見た（投影）図

L

差動トランス

電気炉本体

検出棒

レーザー

マイクロゲージ

変位計

熱電対温度計

レーザー

光源

受光部

試験片

20 mmφ ｘ

_{100 mm}

-1.0E-06

0.0E+00

1.0E-06

2.0E-06

3.0E-06

4.0E-06

5.0E-06

6.0E-06

7.0E-06

-0.1

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

0

500

1000

1500

2000

2500

CTE /

K

-1

Thermal Expansion /

%

Temperature / ℃

線熱膨張率

（左側目盛）

熱膨張係数

（右側目盛）

CIP

nipple

ＣＩＰ材 と nipple材

都合の良い機能・特性

● 高温強度：高い

● 高温電気抵抗：温度上昇とともに高くなる

*

*（いったん低くなるが）

● 高温熱伝導性：温度上昇とともに低くなる

● 熱膨張 ： 比較的 小さい

高温における物性の 計測方法 の開発

機能・特性の発現メカニズム

【高温部材としてのカーボン材料】

機能・特性の支配因子

● 原単位の低減 （耐消耗性の改善）

● 高温における高い機械的強度

● 熱衝撃性の改善

● 装置等の大型化・大電流化

これまでは， ものづくりの現場でのノウハウ・

エンジニアリング的経験（

Trial & Error）

今後の技術移転には，計測技術とデータ蓄積が必要

● 高温特性の支配因子

● トレードオフの克服

● 超高温熱処理プロセス（黒鉛化)の再検証

ユーザー（川下製造業者）の要求技術課題

*不可逆な物性変化

メーカー（川中製造業者）の課題への対応

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●20年という年月がかかった

● 計測技術

高温物性計測技術の開発

• 高温計測試験の経験を積む

• データの正確さを検証する

カーボンメーカーとの協力・信頼関係

公的試験機関だからできた

産学連携

• ハード面（計測装置の開発）

• ソフト面（データの傾向・データベース）

★へそまがり じゃないが、オンリーワンになってしまった

★就職したところに（課題と装置と興味）があったから

モノづくりの現場で培われた

「ノウハウ」

と

「計測技術」の整合性

現状の物理限界を把握するために、

技術革新を目指すために、

計測技術

『

ものさし

』

による

（見える化）

が重要で

ある。

高温物性計測技術の開発

平成25年度 固体熱物性クラブ 2014.02.07

温故知新

まとめ

固体熱物性クラブ の

みなさんの お役に立てれば幸甚

工業用カーボン材料

（

Classical Carbon,ギガ・カーボン）の

使用環境下での高温機能・高温特性の計測結果

計測技術開発 と 製造現場との 融合から 技術革新を目指す

（故きを温めて）

物性を計測する

Thank you very much for

your attention