Title
外部エネルギー照射下でのカーボンコイルの気相合成に関
する研究( 内容の要旨(Summary) )
Author(s)
葛谷, 知洋
Report No.(Doctoral
Degree)
博士(工学) 甲第166号
Issue Date
2002-03-25
Type
博士論文
Version
URL
http://hdl.handle.net/20.500.12099/1887
※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 葛 谷 知 洋 (岐阜県) 博 士(工学) 甲 第 166 号 平成14年 3月25日 物質工学専攻 外部エネルギー照射下でのカーボンコイルの気相合成に関する研究 (Study on the vapor phase preparation of carbon
皿icrocoils Yith outer energy field)
学位論文審査委員 (主査)教 授 元 島 栖 二 (副査)教 授 箕 浦 秀 樹 教 授 三 輪 宴
論文内容の要旨
種々の外部エネルギー照射下でカーボンコイルの気相合成を行い､以下の新しい知見を得ている｡①熱励起CVD法によりカーボンコイルを気相合成し､その基礎的な合成条件､モルフォロジ
ー､物性および成長機構を明らかにした｡②カーボンコイルの合成における電磁場照射効果の 検討および反応種のモニタリングを行い､CH｡+がコイル成長に最も重要な化学種であることを明らかにした｡③反応場への超音波照射効果を検討し､コイル収率は最大で約1･6倍､コイル径は
約1.5倍増加することを示し､その理由について考察した｡④pACT反応器を用いてアセチレン
以外の安価な炭化水素を直接プラズマ励起･分解することにより､カーボンコイルの合成を試み た｡⑤コイル径がナノオーダーのカーボンナノコイルの合成を試みた｡触媒としてAu､Au/Niのよ うな金属の蒸着膜を用いると､ファイバー径が20∼300nm､コイル径が50∼450nmのカーボンナ ノコイルが比較的再現性良く合成できることを明らかにした｡論文審査結果の要旨
種々の外部エネルギー照射下でカーボンコイルの気相合成を行い､以下の新しい知見を得ている｡①熱励起 CVD法によりカーボンコイルを気相合成し､その基礎的な合成条件､モルフォロジー､物性および成長機構を 明らかにした｡②カーボンコイルの合成における電磁場照射効果の検討および反応種のモニタリングを行い､ CH3◆がコイル成長に最も重要な化学種であることを明らかにした｡③反応場への超音波照射効果を検討し､コイ ル収率は最大で約1.6倍､コイル径は約1.5倍増加することを示し､その理由について考察した｡④pACT反応 器を用いてアセチレン以外の安価な炭化水素を直接プラズマ励起･分解することにより､カーボンコイルの合成 を試みた｡⑤コイル径がナノオーダーのターボンナノコイルの合成を試みた｡触媒としてAu､Au/Niのような金 属の蒸着膜を用いると､ファイバー径が20∼300nm､コイル径が50∼450nmのカーボンナノコイルが比較的再 現性良く合成できることを明らかにした｡本論文ではこれらの新しい知見が､適切かつ詳細に述べられ本論 文では十分な議論も行われており､博士論文として十分の内容であると認める｡なお､論文の概要は別 紙の通りである｡ ー40一第一章 序論 始めにPAN系･ピッチ系の連続長繊維および熱励起CVD法によって合成される種々の気相成長 炭素繊維(VGCF)についてレビューした｡ さらに､電磁波吸収材､マイクロデバイス等への応用 が期待されている螺旋状の気相成長炭素繊維rカ丁ボンマイクロコイル(Carbon microcoils)｣ の従来の合成方法(熱励起CVD法)とその問題点を述べた｡ このような熱励起に加えさらに､電磁場(第三章)､音場(第四章)､プラズマ場(第五章)､磁 場(第六章)といった種々の化学反応を活性化させる外部場を照射することにより､コイル成長に 及ぼす種々の活性化効果を検討した｡ 第二章 熱励起CVD法によるカーボンマイクロコイルの合成 熱励起CVD法により､アセチレンを原料としてカーボンマイクロコイルを気相合成し､その基 礎的な合成条件､モルフォロジー､物性および成長機構を検討した｡ 熱励起CVD法により待 られたカーボンマイクロコイルは､マイクロオーダーのコイル径(平均3∼5〃m)を持ち､二本の ファイバーが緻密に巻いた二重螺旋構造であった｡ 得られたカーボンマイクロコイルは､気相 メタライジングや高温熱処理のような後処理によって､コイル形態を維持したまま､新規の物性 を持つコイルへ変性することができた｡ 第三章 電磁場照射CVD法によるカーボンマイクロコイルの合成 カーボンマイクロコイルの合成において､反応管内部より変動電磁場および静電磁場を照射す
ると最大30mg/cm2のコイル収量が得られた｡また無誘導電磁場東園気下で合成を行うことに
より､最大32.5mg/cm2のコイル収量が得られた｡アセチレンの分解生成物としてC2H+(m/z=25)､C2+(m/z=24)､およびCH,'(m/z=15)の化学種が認められた｡これらの化学種の中でCH;が最も多
く､コイル収量はCH｡+種の濃度が増加するにつれて急激に増加した｡最大のコイル収量が得ら れる最適合成条件は､カーボンマイクロコイルの成長に寄与するCH｡+種をモニターすることによ り容易に得られることを明らかにした｡ 第四章 超音波CVD法によるカーボンマイクロコイルの合成 超音波を照射した場合､基板上に成長するカーボンマイクロコイルのコイル層厚は､照射しな い場合と比較してより均一となり､コイル収率は最大で約1.6倍増加し､コイル径は約1.5倍増 加した｡また､超音波を照射して得られたコイルの炭素粒子はやや緻密化され､密度は増加し､ 比表面積は減少した｡ これらの超音波照射は､主に直接的･間接的な原料ガスの混合･拡散効 果､およびコイル成長点の表面拡散の促進効果によるものと考えられ､超音波の照射はコイルの形態および物性の制御に有効であることがわかった｡また､コイルの合成段階でのエ哀ルギー
場照射は､先に述べたコイル合成後の後処理とは異なり､一段階のプロセスでコイルの形状や物 性を制御できる点で､コスト面で大変優れていると考えられた｡ 第五章 PACT(PlasmaAssistedCatalyst Technology)法によるカーボンマイクロコイルの合成ー41-PACT反応器を用いてアセチレン以外の安価な炭化水素を直接プラズマ励起･分解することに より､高効率でアセチレンに変換できた｡ しかし､これらを原料ガスとしてコイル合成を行う と､アセチレンを用いた場合とは分解性生物の組成と濃度が異なるためか､カーボンマイクロコ イルはほとんど合成できず､期待された結果は得られなかった｡ PACT反応器によってアセチ レン以外の炭化水素源を用いてコイル合成を効率よく行うには､プラズマの印加電圧､用いる反 応器の形状､ガス組成等についての詳細な検討が必要であることがわかった｡ 一方､プラズマ 励起窒素によりアセチレンを間接的に励起すると､15∼30〃mのコイル径およびコイルピッチを 持つ一重のカーボンマイクロコイルが得られ､大きなコイル径のコイルを合成する上で有効な方 法であることがわかった｡ 第六章 蒸着膜触媒によるカーボンナノコイルの合成 カーボンマイクロコイルより微小なコイル径を持つカーボンナノコイルは､ナノテクノロジーの 鍵となる材料になり得る｡外部エネルギー場を照射してカーボンマイクロコイル合成を行うと､
