窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法
【課題】 ＳｉＣナノ粒子を高効率で製造すること。
【解決手段】 窒素雰囲気中でアークプラズマを発生させ、アークプラズマを塊状ＳｉＣまたはＳｉとＣの混合粉末成形体に照射してＳｉＣのナノ粒子を生成させる。
【解決手段】 窒素雰囲気中でアークプラズマを発生させ、アークプラズマを塊状ＳｉＣまたはＳｉとＣの混合粉末成形体に照射してＳｉＣのナノ粒子を生成させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ＳｉＣナノ粒子を高効率で製造することのできる窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ粉末の製造法には、大別して以下の２つのプロセスがある（たとえば、非特許文献１、２参照）。
１）固体ＳｉＣを機械的にボールミル、振動ミルなどにより微粉砕した後、化学的精製処理、脱酸・解砕して、平均粒径400-700nmのＳｉＣ粒子を得る。
２）有機ケイ素系ポリマーの熱分解およびＳｉＨ4，ＳｉＣｌ4と炭化水素との反応などを利用した気相中での合成である。
【非特許文献１】阿諏訪 守，ＳｉＣ系セラミックス新材料，内田老鶴圃，日本学術振興会他・第124委員会編，ｐ．122-123 (2001)
【非特許文献２】伊藤 淳，ＳｉＣ系セラミックス新材料，内田老鶴圃，日本学術振興会他・第124委員会編，ｐ．147-149 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来技術により作製されるＳｉＣナノ粒子の生成効率、純度、平均粒径は必ずしも満足することのできるものとなってはいない。
【０００４】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ＳｉＣナノ粒子を高効率で製造することのできる窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、窒素雰囲気中でアークプラズマを発生させ、アークプラズマを塊状ＳｉＣに照射してＳｉＣのナノ粒子を生成させることを特徴とする窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法を提供する。
【０００６】
この出願の発明は、第２には、窒素雰囲気中でアークプラズマを発生させ、アークプラズマを、粉末Ｓｉと粉末Ｃの混合粉末成形体に照射してＳｉＣのナノ粒子を生成させることを特徴とする窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
この出願の発明の窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法によれば、塊状ＳｉＣまたはＳｉとＣの混合粉末成形体に窒素プラズマを照射することにより、一種の強制蒸発、昇華現象が誘起され、直接ＳｉＣナノ粒子が高効率で製造される。得られるＳｉＣナノ粒子は、純度が高く、平均粒径が小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、実施例を示し、この出願の発明の窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法についてさらに詳しく説明する。
【実施例】
【０００９】
図１は、ナノ粒子作製装置の概略図である。
【００１０】
ナノ粒子作製装置は、熱プラズマ炉、アーク放電用直流電源、ナノ粒子捕集用フィルター（日本精線、６０φ×200L、細孔径約３μｍ）、真空ポンプ、循環ポンプなどから構成されている。
【００１１】
アーク放電は、陽極の水冷銅ハース上の試料、陰極のタングステン電極間に発生するが、試料のサーマルショックの予防と水冷銅ハースによる試料への熱効率低下を抑制するために、水冷銅ハース上にカーボンるつぼを置き、その上に試料を置く。炉内で発生するナノ粒子は循環ポンプによるガス流により冷却されながら運ばれ、ナノ粒子捕集用フィルターで捕集される。
【００１２】
出発原料として、ＳｉＣ（高純度化学研究所、純度99.99％以上）の塊状体と混合粉末
成形体を用いた。混合粉末成形体は、粉末Ｃ（高純度化学研究所、純度99.9％以上、粒径２０μｍ）と粉末Ｓｉ（高純度化学研究所、純度99.9％以上、粒径150μｍ）をmol比Ｃ／Ｓｉ＝１／１およびＣ／Ｓｉ＝６／４で混合し、結合剤であるＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を約7.5wt％添加して240kg/cm2で一軸成形した均一な混合粉末成形体である。
【００１３】
雰囲気は、５０vol％Ｎ2−Ａｒおよび100vol％Ｎ2とした。
【００１４】
塊状ＳｉＣについては、前述のナノ粒子作製装置のカーボンるつぼの上に載せ、真空ポンプで炉内を0.13Ｐａ以下の真空とした。この後、各雰囲気ガスを導入し、炉の圧力を0.1ＭＰａに保ち、循環ポンプを作動させた。電流を150Ａに設定し、陰極と陽極である水冷銅ハースおよびカーボンるつぼ間にアークプラズマを発生させた。アークプラズマは初期にはカーボンるつぼに照射し、塊状ＳｉＣが加熱した後にアークプラズマを塊状ＳｉＣに照射した。
【００１５】
粉末Ｃと粉末Ｓｉの混合粉末成形体については、カーボンるつぼの上に載せ、真空ポンプで炉内を0.13Ｐａ以下の真空にした後、ＰＶＢの除去とアークプラズマによる粉末の飛散を抑制するために、雰囲気に100vol％Ａｒを用いてＡｒプラズマを発生させ、混合粉末成形体に照射し、加熱した。加熱時間は１０sec程度とし、加熱後すぐに炉内を真空にし
た。この後の操作は、塊状ＳｉＣのときと同様にした。
【００１６】
窒素プラズマを出発原料に照射するのと同時にプラズマフレームの周辺から煙状のナノ粒子が激しく噴出する様子が観察された。このような特異現象は100vol％Ａｒ雰囲気下では観察されなかった。
【００１７】
発生したナノ粒子について、Ｘ線回折測定（日本電子、ＪＤＸ−3500）による相の同定、ＢＥＴ法による平均粒径の算出およびナノ粒子の発生速度の測定を行った。
【００１８】
図２（ａ）（ｂ）に、出発原料に塊状ＳｉＣを、図２（ｃ）（ｄ）に、出発原料にＣ／Ｓｉ＝１／１の混合粉末成形体を用いたときに発生したナノ粒子の５０vol％Ｎ2−Ａｒおよび100vol％Ｎ2雰囲気におけるＸ線回折測定の結果を示した。全般的にＳｉＣのピーク
が主体であり、５０vol％Ｎ2−Ａｒ雰囲気では僅少のＳｉピークが生成している。
【００１９】
なお、Ｃ／Ｓｉ＝６／４の混合粉末成形体を用いたときに発生したナノ粒子は、ＳｉＣと不純物Ｓｉ、Ｃを含んだものであった。出発材料をＣリッチ状態にしても不純物Ｓｉの生成を抑制することはできなかった。
【００２０】
図３に、得られたナノ粒子のＢＥＴ比表面積測定の結果から得られる平均粒径を示した。図３（ａ）（ｂ）は、出発原料が塊状ＳｉＣの場合で、図３（ｃ）（ｄ）は、出発原料
がＣ／Ｓｉ＝１／１の混合粉末成形体の場合である。
【００２１】
ナノ粒子の平均粒径Ｄ（ｍ）は次式で求められる。
【００２２】
Ｄ＝６／Ｓ・ρ・１０6
ここで、Ｓは比表面積（ｍ2／ｇ）、ρはナノ粒子の密度（ｇ／cm3）である。
【００２３】
いずれの場合も、窒素を有する雰囲気中で発生したナノ粒子は、平均粒径が十分小さいことが確認される。
【００２４】
図４は、塊状ＳｉＣを100vol%Ｎ2でプラズマ照射して得られたナノ粒子の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
【００２５】
形状は多角形状を示し、１０〜８０nm程度の大きさの粒子が混在しているのが認められる。このサイズは、前述のＢＥＴ法による平均粒径とよく一致している。
【００２６】
図５に、５０vol％Ｎ2−Ａｒおよび100vol％Ｎ2雰囲気で塊状ＳｉＣに窒素プラズマを
照射したときに発生したナノ粒子の発生速度を示した。発生速度は、窒素プラズマ照射前と照射後の出発原料の質量損失量をアークプラズマ照射時間で除して算出したものである。図５から確認されるように、雰囲気中の窒素濃度の増大とともに発生速度が比例して増大しているのがわかる。この現象は、ＳｉＣ混合粉末成形体についても同様の結果を得ている。これらの結果は、出発原料を金属に置き換えて行った際に見られる現象と酷似しており、窒素ガスが熱プラズマにより活性化されることによる一種の強制蒸発現象であると考えられる。
【００２７】
以上から明らかにされるように、この出願の発明の窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造方法は、不純物の少ない、平均粒径の小さなＳｉＣナノ粒子の製造を可能にする。また、窒素プラズマを用いることから、安全であり、経済的に優れたＳｉＣナノ粒子の製造法であると考えられる。
【００２８】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、高純度で平均粒径の小さなＳｉＣナノ粒子が高効率に製造される。比較的簡便なアーク溶解炉を基本とした熱プラズマ炉を用い、窒素ガスを用いることから、経済的であるとともに、安全性において優れており、波及効果は大きいと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ナノ粒子作製装置の概略図である。
【図２】塊状ＳｉＣおよびＣ／Ｓｉ＝１／１の混合粉末成形体に窒素プラズマを照射して得られたナノ粒子のＸ線回折結果である。
【図３】ＳｉＣナノ粒子のＢＥＴ比表面積測定の結果から得られる平均粒径を示したグラフである。
【図４】塊状ＳｉＣに100vol％Ｎ2プラズマを照射して得られたナノ粒子の透過顕微鏡写真である。
【図５】５０vol％Ｎ2−Ａｒおよび100vol％Ｎ2雰囲気で塊状ＳｉＣに窒素プラズマを照射して発生したＳｉＣナノ粒子の発生速度を示したグラフである。
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ＳｉＣナノ粒子を高効率で製造することのできる窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ粉末の製造法には、大別して以下の２つのプロセスがある（たとえば、非特許文献１、２参照）。
１）固体ＳｉＣを機械的にボールミル、振動ミルなどにより微粉砕した後、化学的精製処理、脱酸・解砕して、平均粒径400-700nmのＳｉＣ粒子を得る。
２）有機ケイ素系ポリマーの熱分解およびＳｉＨ4，ＳｉＣｌ4と炭化水素との反応などを利用した気相中での合成である。
【非特許文献１】阿諏訪 守，ＳｉＣ系セラミックス新材料，内田老鶴圃，日本学術振興会他・第124委員会編，ｐ．122-123 (2001)
【非特許文献２】伊藤 淳，ＳｉＣ系セラミックス新材料，内田老鶴圃，日本学術振興会他・第124委員会編，ｐ．147-149 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来技術により作製されるＳｉＣナノ粒子の生成効率、純度、平均粒径は必ずしも満足することのできるものとなってはいない。
【０００４】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ＳｉＣナノ粒子を高効率で製造することのできる窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、窒素雰囲気中でアークプラズマを発生させ、アークプラズマを塊状ＳｉＣに照射してＳｉＣのナノ粒子を生成させることを特徴とする窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法を提供する。
【０００６】
この出願の発明は、第２には、窒素雰囲気中でアークプラズマを発生させ、アークプラズマを、粉末Ｓｉと粉末Ｃの混合粉末成形体に照射してＳｉＣのナノ粒子を生成させることを特徴とする窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
この出願の発明の窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法によれば、塊状ＳｉＣまたはＳｉとＣの混合粉末成形体に窒素プラズマを照射することにより、一種の強制蒸発、昇華現象が誘起され、直接ＳｉＣナノ粒子が高効率で製造される。得られるＳｉＣナノ粒子は、純度が高く、平均粒径が小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、実施例を示し、この出願の発明の窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法についてさらに詳しく説明する。
【実施例】
【０００９】
図１は、ナノ粒子作製装置の概略図である。
【００１０】
ナノ粒子作製装置は、熱プラズマ炉、アーク放電用直流電源、ナノ粒子捕集用フィルター（日本精線、６０φ×200L、細孔径約３μｍ）、真空ポンプ、循環ポンプなどから構成されている。
【００１１】
アーク放電は、陽極の水冷銅ハース上の試料、陰極のタングステン電極間に発生するが、試料のサーマルショックの予防と水冷銅ハースによる試料への熱効率低下を抑制するために、水冷銅ハース上にカーボンるつぼを置き、その上に試料を置く。炉内で発生するナノ粒子は循環ポンプによるガス流により冷却されながら運ばれ、ナノ粒子捕集用フィルターで捕集される。
【００１２】
出発原料として、ＳｉＣ（高純度化学研究所、純度99.99％以上）の塊状体と混合粉末
成形体を用いた。混合粉末成形体は、粉末Ｃ（高純度化学研究所、純度99.9％以上、粒径２０μｍ）と粉末Ｓｉ（高純度化学研究所、純度99.9％以上、粒径150μｍ）をmol比Ｃ／Ｓｉ＝１／１およびＣ／Ｓｉ＝６／４で混合し、結合剤であるＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を約7.5wt％添加して240kg/cm2で一軸成形した均一な混合粉末成形体である。
【００１３】
雰囲気は、５０vol％Ｎ2−Ａｒおよび100vol％Ｎ2とした。
【００１４】
塊状ＳｉＣについては、前述のナノ粒子作製装置のカーボンるつぼの上に載せ、真空ポンプで炉内を0.13Ｐａ以下の真空とした。この後、各雰囲気ガスを導入し、炉の圧力を0.1ＭＰａに保ち、循環ポンプを作動させた。電流を150Ａに設定し、陰極と陽極である水冷銅ハースおよびカーボンるつぼ間にアークプラズマを発生させた。アークプラズマは初期にはカーボンるつぼに照射し、塊状ＳｉＣが加熱した後にアークプラズマを塊状ＳｉＣに照射した。
【００１５】
粉末Ｃと粉末Ｓｉの混合粉末成形体については、カーボンるつぼの上に載せ、真空ポンプで炉内を0.13Ｐａ以下の真空にした後、ＰＶＢの除去とアークプラズマによる粉末の飛散を抑制するために、雰囲気に100vol％Ａｒを用いてＡｒプラズマを発生させ、混合粉末成形体に照射し、加熱した。加熱時間は１０sec程度とし、加熱後すぐに炉内を真空にし
た。この後の操作は、塊状ＳｉＣのときと同様にした。
【００１６】
窒素プラズマを出発原料に照射するのと同時にプラズマフレームの周辺から煙状のナノ粒子が激しく噴出する様子が観察された。このような特異現象は100vol％Ａｒ雰囲気下では観察されなかった。
【００１７】
発生したナノ粒子について、Ｘ線回折測定（日本電子、ＪＤＸ−3500）による相の同定、ＢＥＴ法による平均粒径の算出およびナノ粒子の発生速度の測定を行った。
【００１８】
図２（ａ）（ｂ）に、出発原料に塊状ＳｉＣを、図２（ｃ）（ｄ）に、出発原料にＣ／Ｓｉ＝１／１の混合粉末成形体を用いたときに発生したナノ粒子の５０vol％Ｎ2−Ａｒおよび100vol％Ｎ2雰囲気におけるＸ線回折測定の結果を示した。全般的にＳｉＣのピーク
が主体であり、５０vol％Ｎ2−Ａｒ雰囲気では僅少のＳｉピークが生成している。
【００１９】
なお、Ｃ／Ｓｉ＝６／４の混合粉末成形体を用いたときに発生したナノ粒子は、ＳｉＣと不純物Ｓｉ、Ｃを含んだものであった。出発材料をＣリッチ状態にしても不純物Ｓｉの生成を抑制することはできなかった。
【００２０】
図３に、得られたナノ粒子のＢＥＴ比表面積測定の結果から得られる平均粒径を示した。図３（ａ）（ｂ）は、出発原料が塊状ＳｉＣの場合で、図３（ｃ）（ｄ）は、出発原料
がＣ／Ｓｉ＝１／１の混合粉末成形体の場合である。
【００２１】
ナノ粒子の平均粒径Ｄ（ｍ）は次式で求められる。
【００２２】
Ｄ＝６／Ｓ・ρ・１０6
ここで、Ｓは比表面積（ｍ2／ｇ）、ρはナノ粒子の密度（ｇ／cm3）である。
【００２３】
いずれの場合も、窒素を有する雰囲気中で発生したナノ粒子は、平均粒径が十分小さいことが確認される。
【００２４】
図４は、塊状ＳｉＣを100vol%Ｎ2でプラズマ照射して得られたナノ粒子の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
【００２５】
形状は多角形状を示し、１０〜８０nm程度の大きさの粒子が混在しているのが認められる。このサイズは、前述のＢＥＴ法による平均粒径とよく一致している。
【００２６】
図５に、５０vol％Ｎ2−Ａｒおよび100vol％Ｎ2雰囲気で塊状ＳｉＣに窒素プラズマを
照射したときに発生したナノ粒子の発生速度を示した。発生速度は、窒素プラズマ照射前と照射後の出発原料の質量損失量をアークプラズマ照射時間で除して算出したものである。図５から確認されるように、雰囲気中の窒素濃度の増大とともに発生速度が比例して増大しているのがわかる。この現象は、ＳｉＣ混合粉末成形体についても同様の結果を得ている。これらの結果は、出発原料を金属に置き換えて行った際に見られる現象と酷似しており、窒素ガスが熱プラズマにより活性化されることによる一種の強制蒸発現象であると考えられる。
【００２７】
以上から明らかにされるように、この出願の発明の窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造方法は、不純物の少ない、平均粒径の小さなＳｉＣナノ粒子の製造を可能にする。また、窒素プラズマを用いることから、安全であり、経済的に優れたＳｉＣナノ粒子の製造法であると考えられる。
【００２８】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、高純度で平均粒径の小さなＳｉＣナノ粒子が高効率に製造される。比較的簡便なアーク溶解炉を基本とした熱プラズマ炉を用い、窒素ガスを用いることから、経済的であるとともに、安全性において優れており、波及効果は大きいと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ナノ粒子作製装置の概略図である。
【図２】塊状ＳｉＣおよびＣ／Ｓｉ＝１／１の混合粉末成形体に窒素プラズマを照射して得られたナノ粒子のＸ線回折結果である。
【図３】ＳｉＣナノ粒子のＢＥＴ比表面積測定の結果から得られる平均粒径を示したグラフである。
【図４】塊状ＳｉＣに100vol％Ｎ2プラズマを照射して得られたナノ粒子の透過顕微鏡写真である。
【図５】５０vol％Ｎ2−Ａｒおよび100vol％Ｎ2雰囲気で塊状ＳｉＣに窒素プラズマを照射して発生したＳｉＣナノ粒子の発生速度を示したグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素雰囲気中でアークプラズマを発生させ、アークプラズマを塊状ＳｉＣに照射してＳｉＣのナノ粒子を生成させることを特徴とする窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法。
【請求項２】
窒素雰囲気中でアークプラズマを発生させ、アークプラズマを、粉末Ｓｉと粉末Ｃの混合粉末成形体に照射してＳｉＣのナノ粒子を生成させることを特徴とする窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法。
【請求項１】
窒素雰囲気中でアークプラズマを発生させ、アークプラズマを塊状ＳｉＣに照射してＳｉＣのナノ粒子を生成させることを特徴とする窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法。
【請求項２】
窒素雰囲気中でアークプラズマを発生させ、アークプラズマを、粉末Ｓｉと粉末Ｃの混合粉末成形体に照射してＳｉＣのナノ粒子を生成させることを特徴とする窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法。
【図２】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１７７９（Ｐ２００６−１７７９Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１７８９４１（Ｐ２００４−１７８９４１）
【出願日】平成１６年６月１６日（２００４．６．１６）
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１６日（２００４．６．１６）
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
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