成形体およびその製造方法
【課題】強度に優れた成形体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】繊維径１μｍ以下の互いに結合した複数の繊維状炭素と、Ｇａとを含む成形体に関する。
【解決手段】繊維径１μｍ以下の互いに結合した複数の繊維状炭素と、Ｇａとを含む成形体に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は成形体およびその製造方法に関し、より特定的には強度に優れた成形体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維状炭素は優れた導電性および機械的強度を有することが知られている。繊維状炭素のなかでもカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーは繊維径が微小であるため、将来のナノエレクトロニクス材料として期待されている。
【０００３】
繊維状炭素は繊維径の違いによりカーボンナノチューブ（繊維径１〜１０ｎｍ）、カーボンナノファイバー（繊維径１０〜１０００ｎｍ）および炭素繊維（繊維径約１０μｍ）に分類される。このうちカーボンナノチューブは、炭素原子が規則的に配列されたグランフェンシートをチューブ状に丸めた中空の円筒形状を有している。このような形状のカーボンナノチューブをたとえば電子放出源として用いた場合には、その先端に電界集中が起こり易く、高い放出電流密度が期待できる。また、カーボンナノチューブは、化学的、物理的安定性が高い特性を有するので、動作真空中の残留ガスの吸着やイオン衝撃等に対して安定であることが予想される。
【０００４】
また複数のカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーから形成された成形体も優れた導電性を有すると考えられるため、将来の機能性材料として期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の成形体はカーボンナノチューブやカーボンナノファイバー同士が物理的接触のみで結合されているため、実用的な強度を得ることが困難であった。
【０００６】
したがって本発明の目的は、強度に優れた成形体およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、繊維径１μｍ以下の互いに結合した複数の繊維状炭素と、Ｇａとを含む成形体である。本発明に係る成形体によれば、複数の繊維状炭素が互いに結合しているため、強度に優れている。
【０００８】
本発明に係る成形体において好ましくは、繊維状炭素はカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーである。通常、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーは表面にグラフェン欠陥端部を有している。本発明に係る成形体によれば、該グラフェン欠陥端部同士が結合することにより複数の繊維状炭素が一体化されているため、強度に優れている。
【０００９】
本発明に係る成形体において好ましくは、シート状に形成されている。シート状に形成されているため、様々な用途に用いることができる。
【００１０】
本発明に係る成形体の製造方法は、繊維径１μｍ以下の複数の繊維状炭素の各々の表面にＧａを付着させる工程と、Ｇａを付着させた複数の繊維状炭素同士を圧接する工程を含む。本発明に係る成形体の製造方法によれば、Ｇａは繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部に付着し、グラフェン欠陥端部を活性化させる。グラフェン欠陥端部が活性化された複数の繊維状炭素同士を圧接すると、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士がＧａを介して結合する。その結果、強度に優れた成形体を得ることができる。
【００１１】
なお、本明細書中において「圧接」とは、２つの物質を密着させた状態で圧力を加えることにより、２つの物質を結合させることを意味する。
【００１２】
本発明に係る成形体の製造方法において好ましくは、複数の繊維状炭素の各々の表面にＧａを付着させる工程は、繊維状炭素の各々の表面をＧａ蒸気に接触させる工程を含む。Ｇａ蒸気は繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部との結合性に優れているため、グラフェン欠陥端部へのガリウムの付着を効率的に行うことができる。
【００１３】
本発明に係る成形体の製造方法において好ましくは、複数の繊維状炭素同士を圧接する工程は、複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程を含む。複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱することで、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合を効率的に行うことができる。
【００１４】
本発明に係る成形体の製造方法において好ましくは、複数の繊維状炭素同士を圧接する工程の後で、複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程をさらに備える。複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱することで、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合を効率的に行うことができる。
【００１５】
本発明に係る成形体の製造方法において好ましくは、複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程は、複数の繊維状炭素を６００℃以上に加熱する工程を含む。複数の繊維状炭素を６００℃以上に加熱することで、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合を効率的に行うことができる。
【００１６】
本発明に係る成形体の製造方法において好ましくは、複数の繊維状炭素同士を圧接する工程は、複数の繊維状炭素に１×１０5Ｐａ以上の圧力をかける工程を含む。複数の繊維状炭素に１×１０5Ｐａ以上の圧力をかけることで、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合を効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、強度に優れた成形体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）本発明の実施形態における成形体を示す模式図である。（ｂ）（ａ）の線分ＩＢ−ＩＢにおける断面模式図である。
【図２】本発明の一実施の形態における成形体の製造方法の第一工程を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施の形態における成形体の製造方法の第二工程を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施の形態における成形体の製造方法の第三工程を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する、なお、以下の図面において同一のまたは相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。
【００２０】
＜成形体＞
図１（ａ）は本発明の実施形態における成形体を示す模式図である。図１（ｂ）は図１（ａ）の線分ＩＢ−ＩＢにおける断面模式図である。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、本発明の一実施の形態における成形体１０は、たとえば複数の繊維状炭素１が互いに結合しており、たとえば複数の繊維状炭素が集束または積層することにより一体化されている。ここで集束するとは複数の繊維状炭素１が集まって束になることを意味しており、積層するとは複数の繊維状炭素１が積み重なって層になっていることを意味する。
【００２２】
図１（ａ）においては、成形体１０はシート状に成形されているが、形状は特に制限されず、波打ちシート状、円筒状、たらい状などとすることができる。成形体を構成する繊維状炭素の積層方向の厚みは特に制限されないが、１０〜１０００μｍであることが取り扱いおよび成形性の観点から好ましい。
【００２３】
図１（ｂ）を参照して、各々の繊維状炭素１の繊維径ｄは１μｍ以下であり、表面にはＧａ原子２が付着している。
【００２４】
＜繊維状炭素＞
本発明の一実施の形態における成形体１０を構成する繊維状炭素１としては、繊維径が１μｍ以下のカーボンナノチューブ（繊維径１〜１０ｎｍ）またはカーボンナノファイバー（繊維径１０〜１０００ｎｍ）を用いることができる。
【００２５】
カーボンナノチューブとしては、１層の６角網目のチューブから構成されているシングルウォールナノチューブ（以下、「ＳＷＮＴ」と略称する）でも、多層の６角網目のチューブから構成されているマルチウォールナノチューブ（以下、「ＭＷＮＴ」と略称する）でもよい。一般に、ＳＷＮＴのほうがフレキシブルであり、ＭＷＮＴのように多層になればなるほど剛直になる傾向にある。ＳＷＮＴとＭＷＮＴとは、その性質を考慮して、目的に応じて使い分けることが望ましい。
【００２６】
適用可能な繊維状炭素１の長さとしては、特に限定されるものではないが、一般的に１０ｎｍ〜１００００μｍの範囲のものが用いられ、１００ｎｍ〜１０００μｍの範囲のものが好ましく用いられる。
【００２７】
＜Ｇａ（ガリウム）原子＞
Ｇａ原子２は繊維状炭素１の表面に付着しており、特に繊維状炭素１表面のグラフェン欠陥端部と結合していると考えられる。成形体１０におけるＧａ原子は、グラフェン接合の触媒として用いるため、Ｇａの付着をできるだけ欠陥近傍部分に限定するようにし、極力使用量を少なくすることが好ましい。
【００２８】
＜成形体の製造方法＞
本発明の一実施の形態における成形体１０の製造方法を図２〜図４を用いて説明する。成形体の製造方法は、図３に示すように繊維径１μｍ以下の複数の繊維状炭素の各々の表面にＧａを付着させる工程と、図４に示すようにＧａを付着させた複数の繊維状炭素同士を圧接する工程とを含む。
【００２９】
（繊維状炭素の準備）
図２を参照して、通常、繊維状炭素１は表面にグラフェン欠陥端部３を有していると考えられる。グラフェン欠陥端部では、繊維状炭素を構成するグラフェンにおいて式（１）に示すように炭素原子同士が結合せず、不対電子が残存していると推定できる。
【００３０】
【化１】
【００３１】
繊維状炭素１はできるだけ分散した状態のものを準備する。
（繊維状炭素の各々の表面へＧａを付着させる工程）
次に、繊維状炭素１の各々の表面にＧａ原子２を付着させる工程（以下、「Ｇａ付着工程」ともいう）を実施する。
【００３２】
図３を参照して、Ｇａを付着させるための装置２５はチャンバ２２と、ヒーター２３と、容器２４とを備えている。チャンバ２２の外壁にはヒーター２３が設けられており、チャンバ２２の内部には容器２４が配置されている。容器２４の内部にはヒーター２３によって加熱された液体Ｇａ２０が充填されている。液体Ｇａ２０の加熱温度は、６００〜２０００℃であることが好ましい。チャンバ２２の図中左側には真空排気系２２ａが設けられている。
【００３３】
Ｇａ付着工程は、チャンバ２２内に複数の繊維状炭素１を配置し、繊維状炭素１の表面に液体Ｇａ２０を加熱して得られたＧａ蒸気２１を接触させることにより行う。バルクのＧａと炭素は状態図としては非固溶系である。しかし、ミクロのスケールではＧａ蒸気２１を繊維状炭素１に接触させると、Ｇａ原子２と繊維状炭素１の表面のグラフェン欠陥端部３に結合が生じる。この結果、たとえば式（２）に示すようにグラフェン欠陥端部３が活性化される。このときの繊維状炭素の温度は、６００℃以下であることが好ましい。
【００３４】
【化２】
【００３５】
なおＧａ付着工程は、液体Ｇａの代わりに、ＩｎＧａ合金を気化させることにより行われる。また、上述の方法の代わりに、液体Ｇａ中に複数の繊維状炭素１を浸漬することにより行われる。
【００３６】
繊維状炭素１が分散しているものであればＧａ付着工程において、Ｇａを繊維状炭素表面により均一に付着させることができる。
【００３７】
（Ｇａを付着させた複数の繊維状炭素同士を圧接する工程）
次に、Ｇａを付着させた複数の繊維状炭素同士を圧接する工程（以下、「圧接工程」ともいう）を実施する。
【００３８】
図４を参照して、たとえば金型などに複数の繊維状炭素１を充填し、複数の繊維状炭素１に圧力を加える。これにより、複数の繊維状炭素１同士が結合する。これは以下の理由によるものと推測される。複数の繊維状炭素１同士を密着させた状態で圧力を加えると、たとえば式（３）に示すようにグラフェン欠陥端部３同士が直接結合する。
【００３９】
【化３】
【００４０】
この結果、複数の繊維状炭素１同士が集束または積層することにより一体化し、成形体１０となる。該成形体１０は、複数の繊維状炭素１同士が炭素の共有結合で結合していると推測されるため、優れた強度を有する。
【００４１】
なお、上記圧接工程を行うと同時に、または上記圧接行程の後に、複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱してもよい。これにより繊維状炭素１のグラフェン欠陥端部３とＧａ原子２との結合が外れるものと推測される。また、複数の繊維状炭素１の各々の表面を加熱する場合には、複数の繊維状炭素を６００℃以上、より好ましくは８００〜１１００℃に加熱することが好ましい。複数の繊維状炭素を６００℃以上に加熱することで、Ｇａ原子２の脱離が促進されて、繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合が促進される。
【００４２】
圧接工程において、複数の繊維状炭素に１×１０5Ｐａ以上、好ましくは１×１０6Ｐａ以上の圧力をかけることが好ましい。複数の繊維状炭素に１×１０5Ｐａ以上の圧力をかけることで、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合を効率的に行うことができる。
【００４３】
成形体の成形は、シート状や波打ちシート状などの所望の形状の金型に、複数の繊維状炭素を配置した後に圧接工程を実施する。
【実施例】
【００４４】
＜実施例１＞
触媒(鉄、コバルト、ニッケルなど)を除去する処理を施した、できるだけ分散したカーボンナノチューブを準備した。実施例１で使用したカーボンナノチューブの平均繊維径は２０ｎｍ、平均繊維長さは１００μｍである。
【００４５】
次に当該カーボンナノチューブを熱処理炉内に設置した。熱処理炉を１０-6Ｔｏｒｒの減圧下で４００℃に加熱し、熱処理炉内の坩堝中の液体Ｇａを気化してＧａ蒸気を発生させ、カーボンナノチューブ表面にＧａを付着させた。
【００４６】
その後、Ｇａを付着させたＣＮＴを積層させ、厚さ０．２ｍｍ程度で５ｍｍ×２０ｍｍ角の大きさのシートを成形した。その後、シートに１００ｋｇｆ／ｃｍ2（９８×１０5Ｐa）の圧力をかけるとともに熱処理炉内の温度を１０００℃に昇温した後、圧力をかけた状態で室温まで冷却した。
【００４７】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
実施例１の成形体の引張破断強度は４ＧＰａであった。
【００４８】
＜実施例２＞
触媒(鉄、コバルト、ニッケルなど)を除去する処理を施した、できるだけ分散したカーボンナノチューブを準備した。実施例２で使用したカーボンナノチューブの平均繊維径は１０ｎｍ、平均繊維長さは２００μｍである。
【００４９】
次に当該カーボンナノチューブを熱処理炉内に設置した。熱処理炉を１０-6Ｔｏｒｒの減圧下で５００℃に加熱し、さらに熱処理炉内の坩堝中の液体Ｇａを電子ビームで加熱することによってＧａ蒸気を発生させ、カーボンナノチューブ表面にＧａを付着させた。
【００５０】
その後、Ｇａを付着させたＣＮＴを積層させ、厚さ０．５ｍｍ程度で５ｍｍ×２０ｍｍ角の大きさのシートを成形した。その後、シートに１０ｋｇｆ／ｃｍ2（９．８×１０5Ｐa）の圧力をかけるとともに熱処理炉内の温度を９００℃に昇温した後、圧力をかけた状態で室温まで冷却した。
【００５１】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
実施例２の成形体の引張破断強度は４ＧＰａであった。
【００５２】
＜実施例３＞
触媒(鉄、コバルト、ニッケルなど)を除去する処理を施した、できるだけ分散したカーボンナノチューブを準備した。実施例３で使用したカーボンナノチューブの平均繊維径は３０ｎｍ、平均繊維長さは２００μｍである。
【００５３】
次に当該カーボンナノチューブを熱処理炉内に設置した。熱処理炉を１０-6Ｔｏｒｒの減圧下で６００℃に加熱し、熱処理炉内の坩堝中の液体Ｇａを気化してＧａ蒸気を発生させ、カーボンナノチューブ表面にＧａを付着させた。
【００５４】
その後、Ｇａを付着させたＣＮＴを積層させ、厚さ１ｍｍ程度の波型シートを成形した。その後、シートに５０ｋｇｆ／ｃｍ2（４９×１０5Ｐa）の圧力をかけるとともに熱処理炉内の温度を８００℃に昇温した後、圧力をかけた状態で室温まで冷却した。
【００５５】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
実施例３の成形体の引張破断強度は３ＧＰａであった。
【００５６】
＜実施例４＞
触媒(鉄、コバルト、ニッケルなど)を除去する処理を施した、できるだけ分散したカーボンナノチューブを準備した。実施例４で使用したカーボンナノチューブの平均繊維径は１０ｎｍ、平均繊維長さは２００μｍである。
【００５７】
次に当該カーボンナノチューブを熱処理炉内に設置した。熱処理炉を１０-6Ｔｏｒｒの減圧下で４５０℃に加熱し、さらに熱処理炉内の坩堝中のＧａＩｎ合金（Ｇａ８５Ｉｎ１５）を９００℃に加熱してＧａＩｎ合金を気化させ、カーボンナノチューブ表面にＧａＩｎ合金を付着させた。
【００５８】
その後、ＧａＩｎ合金を付着させたＣＮＴを積層させ、厚さ０．５ｍｍ程度で５ｍｍ×２０ｍｍ角の大きさのシートを成形した。その後、シートに１００ｋｇｆ／ｃｍ2（９８×１０5Ｐa）の圧力をかけるとともに熱処理炉内の温度を９００℃に昇温した後、圧力をかけた状態で室温まで冷却した。
【００５９】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
実施例４の成形体の引張破断強度は３ＧＰａであった。
【００６０】
＜実施例５＞
触媒(鉄、コバルト、ニッケルなど)を除去する処理を施した、できるだけ分散したカーボンナノチューブを準備した。実施例５で使用したカーボンナノチューブの平均繊維径は１０ｎｍ、平均繊維長さは５００μｍである。
【００６１】
次に当該カーボンナノチューブを熱処理炉内に設置した。熱処理炉を１０-6Ｔｏｒｒの減圧下で３００℃に加熱し、熱処理炉内の坩堝中の液体Ｇａを気化してＧａ蒸気を発生させ、カーボンナノチューブ表面にＧａを付着させた。
【００６２】
その後、Ｇａを付着させたＣＮＴを積層させ、厚さ０．５ｍｍ程度のシートを成形した。その後、シートに５ｋｇｆ／ｃｍ2（４．９×１０5Ｐa）の圧力をかけるとともに熱処理炉内の温度を６００℃に昇温した後、圧力をかけた状態で室温まで冷却した。
【００６３】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
実施例５の成形体の引張破断強度は２ＧＰａであった。
【００６４】
＜比較例１＞
比較例１は液体Ｇａを用いない以外は実施例１と同様の工程で成形体を準備した。
【００６５】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
比較例１の成形体の引張破断強度は１ＧＰａであった。
【００６６】
実施例１〜４および比較例１の製造条件および結果を表１に示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６９】
１ 繊維状炭素、１０ 成形体、２ Ｇａ原子、２０ 液体Ｇａ、２１ Ｇａ蒸気、２２ チャンバ、２２ａ 真空排気系、２３ ヒーター、２４ 容器、２５ Ｇａを付着させるための装置、３ グラフェン欠陥端部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は成形体およびその製造方法に関し、より特定的には強度に優れた成形体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維状炭素は優れた導電性および機械的強度を有することが知られている。繊維状炭素のなかでもカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーは繊維径が微小であるため、将来のナノエレクトロニクス材料として期待されている。
【０００３】
繊維状炭素は繊維径の違いによりカーボンナノチューブ（繊維径１〜１０ｎｍ）、カーボンナノファイバー（繊維径１０〜１０００ｎｍ）および炭素繊維（繊維径約１０μｍ）に分類される。このうちカーボンナノチューブは、炭素原子が規則的に配列されたグランフェンシートをチューブ状に丸めた中空の円筒形状を有している。このような形状のカーボンナノチューブをたとえば電子放出源として用いた場合には、その先端に電界集中が起こり易く、高い放出電流密度が期待できる。また、カーボンナノチューブは、化学的、物理的安定性が高い特性を有するので、動作真空中の残留ガスの吸着やイオン衝撃等に対して安定であることが予想される。
【０００４】
また複数のカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーから形成された成形体も優れた導電性を有すると考えられるため、将来の機能性材料として期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の成形体はカーボンナノチューブやカーボンナノファイバー同士が物理的接触のみで結合されているため、実用的な強度を得ることが困難であった。
【０００６】
したがって本発明の目的は、強度に優れた成形体およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、繊維径１μｍ以下の互いに結合した複数の繊維状炭素と、Ｇａとを含む成形体である。本発明に係る成形体によれば、複数の繊維状炭素が互いに結合しているため、強度に優れている。
【０００８】
本発明に係る成形体において好ましくは、繊維状炭素はカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーである。通常、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーは表面にグラフェン欠陥端部を有している。本発明に係る成形体によれば、該グラフェン欠陥端部同士が結合することにより複数の繊維状炭素が一体化されているため、強度に優れている。
【０００９】
本発明に係る成形体において好ましくは、シート状に形成されている。シート状に形成されているため、様々な用途に用いることができる。
【００１０】
本発明に係る成形体の製造方法は、繊維径１μｍ以下の複数の繊維状炭素の各々の表面にＧａを付着させる工程と、Ｇａを付着させた複数の繊維状炭素同士を圧接する工程を含む。本発明に係る成形体の製造方法によれば、Ｇａは繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部に付着し、グラフェン欠陥端部を活性化させる。グラフェン欠陥端部が活性化された複数の繊維状炭素同士を圧接すると、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士がＧａを介して結合する。その結果、強度に優れた成形体を得ることができる。
【００１１】
なお、本明細書中において「圧接」とは、２つの物質を密着させた状態で圧力を加えることにより、２つの物質を結合させることを意味する。
【００１２】
本発明に係る成形体の製造方法において好ましくは、複数の繊維状炭素の各々の表面にＧａを付着させる工程は、繊維状炭素の各々の表面をＧａ蒸気に接触させる工程を含む。Ｇａ蒸気は繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部との結合性に優れているため、グラフェン欠陥端部へのガリウムの付着を効率的に行うことができる。
【００１３】
本発明に係る成形体の製造方法において好ましくは、複数の繊維状炭素同士を圧接する工程は、複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程を含む。複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱することで、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合を効率的に行うことができる。
【００１４】
本発明に係る成形体の製造方法において好ましくは、複数の繊維状炭素同士を圧接する工程の後で、複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程をさらに備える。複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱することで、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合を効率的に行うことができる。
【００１５】
本発明に係る成形体の製造方法において好ましくは、複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程は、複数の繊維状炭素を６００℃以上に加熱する工程を含む。複数の繊維状炭素を６００℃以上に加熱することで、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合を効率的に行うことができる。
【００１６】
本発明に係る成形体の製造方法において好ましくは、複数の繊維状炭素同士を圧接する工程は、複数の繊維状炭素に１×１０5Ｐａ以上の圧力をかける工程を含む。複数の繊維状炭素に１×１０5Ｐａ以上の圧力をかけることで、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合を効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、強度に優れた成形体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）本発明の実施形態における成形体を示す模式図である。（ｂ）（ａ）の線分ＩＢ−ＩＢにおける断面模式図である。
【図２】本発明の一実施の形態における成形体の製造方法の第一工程を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施の形態における成形体の製造方法の第二工程を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施の形態における成形体の製造方法の第三工程を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する、なお、以下の図面において同一のまたは相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。
【００２０】
＜成形体＞
図１（ａ）は本発明の実施形態における成形体を示す模式図である。図１（ｂ）は図１（ａ）の線分ＩＢ−ＩＢにおける断面模式図である。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、本発明の一実施の形態における成形体１０は、たとえば複数の繊維状炭素１が互いに結合しており、たとえば複数の繊維状炭素が集束または積層することにより一体化されている。ここで集束するとは複数の繊維状炭素１が集まって束になることを意味しており、積層するとは複数の繊維状炭素１が積み重なって層になっていることを意味する。
【００２２】
図１（ａ）においては、成形体１０はシート状に成形されているが、形状は特に制限されず、波打ちシート状、円筒状、たらい状などとすることができる。成形体を構成する繊維状炭素の積層方向の厚みは特に制限されないが、１０〜１０００μｍであることが取り扱いおよび成形性の観点から好ましい。
【００２３】
図１（ｂ）を参照して、各々の繊維状炭素１の繊維径ｄは１μｍ以下であり、表面にはＧａ原子２が付着している。
【００２４】
＜繊維状炭素＞
本発明の一実施の形態における成形体１０を構成する繊維状炭素１としては、繊維径が１μｍ以下のカーボンナノチューブ（繊維径１〜１０ｎｍ）またはカーボンナノファイバー（繊維径１０〜１０００ｎｍ）を用いることができる。
【００２５】
カーボンナノチューブとしては、１層の６角網目のチューブから構成されているシングルウォールナノチューブ（以下、「ＳＷＮＴ」と略称する）でも、多層の６角網目のチューブから構成されているマルチウォールナノチューブ（以下、「ＭＷＮＴ」と略称する）でもよい。一般に、ＳＷＮＴのほうがフレキシブルであり、ＭＷＮＴのように多層になればなるほど剛直になる傾向にある。ＳＷＮＴとＭＷＮＴとは、その性質を考慮して、目的に応じて使い分けることが望ましい。
【００２６】
適用可能な繊維状炭素１の長さとしては、特に限定されるものではないが、一般的に１０ｎｍ〜１００００μｍの範囲のものが用いられ、１００ｎｍ〜１０００μｍの範囲のものが好ましく用いられる。
【００２７】
＜Ｇａ（ガリウム）原子＞
Ｇａ原子２は繊維状炭素１の表面に付着しており、特に繊維状炭素１表面のグラフェン欠陥端部と結合していると考えられる。成形体１０におけるＧａ原子は、グラフェン接合の触媒として用いるため、Ｇａの付着をできるだけ欠陥近傍部分に限定するようにし、極力使用量を少なくすることが好ましい。
【００２８】
＜成形体の製造方法＞
本発明の一実施の形態における成形体１０の製造方法を図２〜図４を用いて説明する。成形体の製造方法は、図３に示すように繊維径１μｍ以下の複数の繊維状炭素の各々の表面にＧａを付着させる工程と、図４に示すようにＧａを付着させた複数の繊維状炭素同士を圧接する工程とを含む。
【００２９】
（繊維状炭素の準備）
図２を参照して、通常、繊維状炭素１は表面にグラフェン欠陥端部３を有していると考えられる。グラフェン欠陥端部では、繊維状炭素を構成するグラフェンにおいて式（１）に示すように炭素原子同士が結合せず、不対電子が残存していると推定できる。
【００３０】
【化１】
【００３１】
繊維状炭素１はできるだけ分散した状態のものを準備する。
（繊維状炭素の各々の表面へＧａを付着させる工程）
次に、繊維状炭素１の各々の表面にＧａ原子２を付着させる工程（以下、「Ｇａ付着工程」ともいう）を実施する。
【００３２】
図３を参照して、Ｇａを付着させるための装置２５はチャンバ２２と、ヒーター２３と、容器２４とを備えている。チャンバ２２の外壁にはヒーター２３が設けられており、チャンバ２２の内部には容器２４が配置されている。容器２４の内部にはヒーター２３によって加熱された液体Ｇａ２０が充填されている。液体Ｇａ２０の加熱温度は、６００〜２０００℃であることが好ましい。チャンバ２２の図中左側には真空排気系２２ａが設けられている。
【００３３】
Ｇａ付着工程は、チャンバ２２内に複数の繊維状炭素１を配置し、繊維状炭素１の表面に液体Ｇａ２０を加熱して得られたＧａ蒸気２１を接触させることにより行う。バルクのＧａと炭素は状態図としては非固溶系である。しかし、ミクロのスケールではＧａ蒸気２１を繊維状炭素１に接触させると、Ｇａ原子２と繊維状炭素１の表面のグラフェン欠陥端部３に結合が生じる。この結果、たとえば式（２）に示すようにグラフェン欠陥端部３が活性化される。このときの繊維状炭素の温度は、６００℃以下であることが好ましい。
【００３４】
【化２】
【００３５】
なおＧａ付着工程は、液体Ｇａの代わりに、ＩｎＧａ合金を気化させることにより行われる。また、上述の方法の代わりに、液体Ｇａ中に複数の繊維状炭素１を浸漬することにより行われる。
【００３６】
繊維状炭素１が分散しているものであればＧａ付着工程において、Ｇａを繊維状炭素表面により均一に付着させることができる。
【００３７】
（Ｇａを付着させた複数の繊維状炭素同士を圧接する工程）
次に、Ｇａを付着させた複数の繊維状炭素同士を圧接する工程（以下、「圧接工程」ともいう）を実施する。
【００３８】
図４を参照して、たとえば金型などに複数の繊維状炭素１を充填し、複数の繊維状炭素１に圧力を加える。これにより、複数の繊維状炭素１同士が結合する。これは以下の理由によるものと推測される。複数の繊維状炭素１同士を密着させた状態で圧力を加えると、たとえば式（３）に示すようにグラフェン欠陥端部３同士が直接結合する。
【００３９】
【化３】
【００４０】
この結果、複数の繊維状炭素１同士が集束または積層することにより一体化し、成形体１０となる。該成形体１０は、複数の繊維状炭素１同士が炭素の共有結合で結合していると推測されるため、優れた強度を有する。
【００４１】
なお、上記圧接工程を行うと同時に、または上記圧接行程の後に、複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱してもよい。これにより繊維状炭素１のグラフェン欠陥端部３とＧａ原子２との結合が外れるものと推測される。また、複数の繊維状炭素１の各々の表面を加熱する場合には、複数の繊維状炭素を６００℃以上、より好ましくは８００〜１１００℃に加熱することが好ましい。複数の繊維状炭素を６００℃以上に加熱することで、Ｇａ原子２の脱離が促進されて、繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合が促進される。
【００４２】
圧接工程において、複数の繊維状炭素に１×１０5Ｐａ以上、好ましくは１×１０6Ｐａ以上の圧力をかけることが好ましい。複数の繊維状炭素に１×１０5Ｐａ以上の圧力をかけることで、接触する異なる繊維状炭素表面のグラフェン欠陥端部同士の結合を効率的に行うことができる。
【００４３】
成形体の成形は、シート状や波打ちシート状などの所望の形状の金型に、複数の繊維状炭素を配置した後に圧接工程を実施する。
【実施例】
【００４４】
＜実施例１＞
触媒(鉄、コバルト、ニッケルなど)を除去する処理を施した、できるだけ分散したカーボンナノチューブを準備した。実施例１で使用したカーボンナノチューブの平均繊維径は２０ｎｍ、平均繊維長さは１００μｍである。
【００４５】
次に当該カーボンナノチューブを熱処理炉内に設置した。熱処理炉を１０-6Ｔｏｒｒの減圧下で４００℃に加熱し、熱処理炉内の坩堝中の液体Ｇａを気化してＧａ蒸気を発生させ、カーボンナノチューブ表面にＧａを付着させた。
【００４６】
その後、Ｇａを付着させたＣＮＴを積層させ、厚さ０．２ｍｍ程度で５ｍｍ×２０ｍｍ角の大きさのシートを成形した。その後、シートに１００ｋｇｆ／ｃｍ2（９８×１０5Ｐa）の圧力をかけるとともに熱処理炉内の温度を１０００℃に昇温した後、圧力をかけた状態で室温まで冷却した。
【００４７】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
実施例１の成形体の引張破断強度は４ＧＰａであった。
【００４８】
＜実施例２＞
触媒(鉄、コバルト、ニッケルなど)を除去する処理を施した、できるだけ分散したカーボンナノチューブを準備した。実施例２で使用したカーボンナノチューブの平均繊維径は１０ｎｍ、平均繊維長さは２００μｍである。
【００４９】
次に当該カーボンナノチューブを熱処理炉内に設置した。熱処理炉を１０-6Ｔｏｒｒの減圧下で５００℃に加熱し、さらに熱処理炉内の坩堝中の液体Ｇａを電子ビームで加熱することによってＧａ蒸気を発生させ、カーボンナノチューブ表面にＧａを付着させた。
【００５０】
その後、Ｇａを付着させたＣＮＴを積層させ、厚さ０．５ｍｍ程度で５ｍｍ×２０ｍｍ角の大きさのシートを成形した。その後、シートに１０ｋｇｆ／ｃｍ2（９．８×１０5Ｐa）の圧力をかけるとともに熱処理炉内の温度を９００℃に昇温した後、圧力をかけた状態で室温まで冷却した。
【００５１】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
実施例２の成形体の引張破断強度は４ＧＰａであった。
【００５２】
＜実施例３＞
触媒(鉄、コバルト、ニッケルなど)を除去する処理を施した、できるだけ分散したカーボンナノチューブを準備した。実施例３で使用したカーボンナノチューブの平均繊維径は３０ｎｍ、平均繊維長さは２００μｍである。
【００５３】
次に当該カーボンナノチューブを熱処理炉内に設置した。熱処理炉を１０-6Ｔｏｒｒの減圧下で６００℃に加熱し、熱処理炉内の坩堝中の液体Ｇａを気化してＧａ蒸気を発生させ、カーボンナノチューブ表面にＧａを付着させた。
【００５４】
その後、Ｇａを付着させたＣＮＴを積層させ、厚さ１ｍｍ程度の波型シートを成形した。その後、シートに５０ｋｇｆ／ｃｍ2（４９×１０5Ｐa）の圧力をかけるとともに熱処理炉内の温度を８００℃に昇温した後、圧力をかけた状態で室温まで冷却した。
【００５５】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
実施例３の成形体の引張破断強度は３ＧＰａであった。
【００５６】
＜実施例４＞
触媒(鉄、コバルト、ニッケルなど)を除去する処理を施した、できるだけ分散したカーボンナノチューブを準備した。実施例４で使用したカーボンナノチューブの平均繊維径は１０ｎｍ、平均繊維長さは２００μｍである。
【００５７】
次に当該カーボンナノチューブを熱処理炉内に設置した。熱処理炉を１０-6Ｔｏｒｒの減圧下で４５０℃に加熱し、さらに熱処理炉内の坩堝中のＧａＩｎ合金（Ｇａ８５Ｉｎ１５）を９００℃に加熱してＧａＩｎ合金を気化させ、カーボンナノチューブ表面にＧａＩｎ合金を付着させた。
【００５８】
その後、ＧａＩｎ合金を付着させたＣＮＴを積層させ、厚さ０．５ｍｍ程度で５ｍｍ×２０ｍｍ角の大きさのシートを成形した。その後、シートに１００ｋｇｆ／ｃｍ2（９８×１０5Ｐa）の圧力をかけるとともに熱処理炉内の温度を９００℃に昇温した後、圧力をかけた状態で室温まで冷却した。
【００５９】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
実施例４の成形体の引張破断強度は３ＧＰａであった。
【００６０】
＜実施例５＞
触媒(鉄、コバルト、ニッケルなど)を除去する処理を施した、できるだけ分散したカーボンナノチューブを準備した。実施例５で使用したカーボンナノチューブの平均繊維径は１０ｎｍ、平均繊維長さは５００μｍである。
【００６１】
次に当該カーボンナノチューブを熱処理炉内に設置した。熱処理炉を１０-6Ｔｏｒｒの減圧下で３００℃に加熱し、熱処理炉内の坩堝中の液体Ｇａを気化してＧａ蒸気を発生させ、カーボンナノチューブ表面にＧａを付着させた。
【００６２】
その後、Ｇａを付着させたＣＮＴを積層させ、厚さ０．５ｍｍ程度のシートを成形した。その後、シートに５ｋｇｆ／ｃｍ2（４．９×１０5Ｐa）の圧力をかけるとともに熱処理炉内の温度を６００℃に昇温した後、圧力をかけた状態で室温まで冷却した。
【００６３】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
実施例５の成形体の引張破断強度は２ＧＰａであった。
【００６４】
＜比較例１＞
比較例１は液体Ｇａを用いない以外は実施例１と同様の工程で成形体を準備した。
【００６５】
得られたシート状の成形体の引張破断強度を引っ張り試験機で測定した。
比較例１の成形体の引張破断強度は１ＧＰａであった。
【００６６】
実施例１〜４および比較例１の製造条件および結果を表１に示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６９】
１ 繊維状炭素、１０ 成形体、２ Ｇａ原子、２０ 液体Ｇａ、２１ Ｇａ蒸気、２２ チャンバ、２２ａ 真空排気系、２３ ヒーター、２４ 容器、２５ Ｇａを付着させるための装置、３ グラフェン欠陥端部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維径１μｍ以下の互いに結合した複数の繊維状炭素と、Ｇａとを含む成形体。
【請求項２】
前記繊維状炭素はカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーである、請求項１に記載の成形体。
【請求項３】
シート状の形状を有する、請求項１または２に記載の成形体。
【請求項４】
繊維径１μｍ以下の複数の繊維状炭素の各々の表面にＧａを付着させる工程と、
前記Ｇａを付着させた複数の繊維状炭素同士を圧接する工程とを含む、成形体の製造方法。
【請求項５】
前記複数の繊維状炭素の各々の表面にＧａを付着させる工程は、繊維状炭素の各々の表面をＧａ蒸気に接触させる工程を含む、請求項４に記載の成形体の製造方法。
【請求項６】
前記複数の繊維状炭素同士を圧接する工程は、前記複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程を含む、請求項４または５に記載の成形体の製造方法。
【請求項７】
前記複数の繊維状炭素同士を圧接する工程の後で、前記複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程をさらに備える、請求項４または５に記載の成形体の製造方法。
【請求項８】
前記複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程は、前記複数の繊維状炭素を６００℃以上に加熱する工程を含む、請求項６または７に記載の成形体の製造方法。
【請求項９】
前記複数の繊維状炭素同士を圧接する工程は、前記複数の繊維状炭素に１×１０5Ｐａ以上の圧力をかける工程を含む、請求項４〜８のいずれか１つに記載の成形体の製造方法。
【請求項１】
繊維径１μｍ以下の互いに結合した複数の繊維状炭素と、Ｇａとを含む成形体。
【請求項２】
前記繊維状炭素はカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーである、請求項１に記載の成形体。
【請求項３】
シート状の形状を有する、請求項１または２に記載の成形体。
【請求項４】
繊維径１μｍ以下の複数の繊維状炭素の各々の表面にＧａを付着させる工程と、
前記Ｇａを付着させた複数の繊維状炭素同士を圧接する工程とを含む、成形体の製造方法。
【請求項５】
前記複数の繊維状炭素の各々の表面にＧａを付着させる工程は、繊維状炭素の各々の表面をＧａ蒸気に接触させる工程を含む、請求項４に記載の成形体の製造方法。
【請求項６】
前記複数の繊維状炭素同士を圧接する工程は、前記複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程を含む、請求項４または５に記載の成形体の製造方法。
【請求項７】
前記複数の繊維状炭素同士を圧接する工程の後で、前記複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程をさらに備える、請求項４または５に記載の成形体の製造方法。
【請求項８】
前記複数の繊維状炭素の各々の表面を加熱する工程は、前記複数の繊維状炭素を６００℃以上に加熱する工程を含む、請求項６または７に記載の成形体の製造方法。
【請求項９】
前記複数の繊維状炭素同士を圧接する工程は、前記複数の繊維状炭素に１×１０5Ｐａ以上の圧力をかける工程を含む、請求項４〜８のいずれか１つに記載の成形体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２８０５１７（Ｐ２０１０−２８０５１７Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３３２１８（Ｐ２００９−１３３２１８）
【出願日】平成２１年６月２日（２００９．６．２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２日（２００９．６．２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
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